Các nhà khoa học vừa nấu chảy kim loại rắn Bismuth thành chất lỏng ở nhiệt độ thấp hơn điểm đông đặc của nó, một hiện tượng thú vị nhưng không hiếm cho thấy tính bất định của vật lý học nói riêng và giới tự nhiên nói chung.
Nhờ cơ chế liên kết hóa học giữa các phân tử, sự chuyển pha (giữa thể rắn, thể lỏng, và thể khí) xảy ra khá đơn giản – khi một chất đạt tới điểm ngưng tụ, nó bắt đầu đóng rắn, và khi đạt tới điểm sôi, nó bắt đầu bay hơi.
Nhưng các nhà khoa học vừa tìm ra cách làm xáo trộn nghiêm trọng cơ chế chuyển pha cơ bản này, bởi vì lần đầu tiên họ đã có thể nấu chảy kim loại rắn Bismuth thành chất lỏng ở nhiệt độ thấp hơn điểm đông đặc của nó. Để hiểu được tính chất “điên rồ” của việc này, hãy thử tưởng tượng việc hóa lỏng một viên đá dưới mức nhiệt 0°C (32°F).
Như nhóm nghiên cứu từ phòng thí nghiệm địa vật lý của Viện Carnegie Washington chỉ ra, có hai kiểu chuyển pha trong tự nhiên, và một trong số đó mang tính “ngẫu hứng” hơn rất nhiều so với chúng ta có thể tưởng tượng.
Kiểu thứ nhất là sự chuyển pha đơn giản chúng ta được học trong trường (lỏng thành rắn, lỏng thành khí), theo cơ chế không tác động tới liên kết hóa học giữa các phân tử. Với kiểu này, liên kết hóa học không bị phá vỡ khi vật chất chuyển từ pha này sang pha khác, nhưng sẽ thay đổi phương hướng và chiều dài để cho phép các thay đổi trạng thái vật lý lớn, nhưng có thể đảo ngược (VD: lỏng thành rắn, rắn thành lỏng).
Và kiểu thứ hai là ‘chuyển pha tái thiết’, vốn hỗn loạn và khó dự đoán hơn rất nhiều, bởi với kiểu này một phần liên kết hóa học bị phá vỡ, tạo ra sự dịch chuyển cấu trúc đáng kể trong vật liệu khi chuyển sang pha mới. Đây chính là kiểu chúng ta quan sát được trên kim loại bismuth. Tuy vậy, điều kỳ lạ là kiểu chuyển pha ngẫu nhiên, bất định này lại rất phổ biển trong tự nhiên, thậm chí phổ biến hơn kiểu ‘đơn giản’ thứ nhất mà chúng ta đã quá quen thuộc.
“Chúng ta trải nghiệm sự chuyển pha hầu như mọi lúc, nhưng thực ra chúng ta biết rất ít về điều này”, một người trong nhóm nghiên cứu, Guoyin Shen, trao đổi với Gizmodo.
Nhóm của Shen đã đặt một miếng tinh thể Bismuth (kim loại sắc cầu vồng rực rỡ) vào một máy ép DAC (Diamond anvil cell), để tiến hành quá trình tạo áp suất rồi hạ áp, với cường độ trong khoảng từ 3,2 GPa (32.000 lần áp suất khí quyển) xuống đến 1,2 GPa tại mức nhiệt 216°C (489 K). Chỉ số nhiệt độ này là quan trọng, bởi nhiệt độ nóng chảy của Bismuth là 271.52°C, nghĩa là tại mức nhiệt thấp hơn, kim loại này duy trì trạng thái rắn.
Khi nhóm nghiên cứu đưa miếng Bismuth vào môi trường áp suất 3,2 GPa, họ bắt đầu giảm áp từ từ. Khi áp suất giảm tới 2,3 GPa, nó bắt đầu hóa lỏng, và giữ nguyên trạng thái này cho tới khi đạt áp suất 1,5 GPa. Dưới áp suất 1,5 GPa, kim loại bắt đầu kết tinh, và tới 1,2 GPa, nó chuyển trở lại thể rắn mà không cần thay đổi nhiệt độ.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy trạng thái này có thể kéo dài nhiều giờ đồng hồ dưới điểm nóng chảy của Bismuth, miễn là điều kiện môi trường được duy trì. Họ gọi pha lỏng không ngờ tới này là ‘lỏng nửa bền’, vì khác với kiểu chuyển pha đơn giản mà trong đó liên kết hóa học được giữ nguyên, nếu bạn tác động vào một chất lỏng nửa bền, nó sẽ nhanh chóng chuyển trở về pha đơn giản mà chúng ta vẫn biết.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy chất lỏng nửa bền này hình thành trong khoảng nhiệt độ-áp suất tương tự Bismuth siêu lạnh – một dạng chuyển pha tái thiết khác mà các nhà khoa học quen thuộc hơn.
Khi một chất trong trạng thái ‘siêu lạnh’, nó được làm lạnh tới mức nhiệt thấp hơn rất nhiều so với điểm ngưng tụ nhưng lại không đóng rắn hay kết tinh. Lấy ví dụ, nước thường đóng rắn (hay đóng băng) ở nhiệt độ 0°C (273.15 K), nhưng có thể được làm thành siêu lạnh dưới mức áp suất nhất định tại mức nhiệt −48,3 °C (224.8 K). Nói cách khác, tại mức nhiệt này nó là nước lỏng thay vì băng đá.
Hiện chúng ta đã biết đến hai kiểu chuyển pha tái thiết – siêu lạnh và nửa bền – các nhà nghiên cứu cho rằng hai trạng thái này phổ biến trong tự nhiên hơn chúng ta nghĩ.
Bây giờ chúng ta đã có trong tay bằng chứng đầu tiên cho thấy hiện tượng này thực sự tồn tại, và chúng tôi biết cần tìm kiếm điều gì ở các vật chất dị thường khác – trên trái đất và ngoài không gian – và nó có thể giúp chúng ta tạo ra những dạng vật chất mới mà chúng ta chưa từng khám phá.
“Bởi vì chuyển pha tái thiết là loại cơ bản nhất, nghiên cứu này cung cấp một phương thức hoàn toàn mới để hiểu cơ chế biến đổi của các vật chất khác nhau”, Shen nói trong một thông cáo báo chí.
“Có thể các vật liệu khác cũng có một trạng thái lỏng nửa bền tương tự khi chuyển pha tái thiết, và rằng hiện tượng này phổ biến hơn nhiều so với chúng ta nghĩ. Kết quả này chắc chắn sẽ mang tới vô số sự ngạc nhiên cả trong ngành khoa học vật liệu và khoa học hành tinh trong những năm tới”.
Nghiên cứu được công bố trên Nature Communications.
LTHung (theo Science Alert)
Xem thêm: