Hầu hết chúng ta đều biết tới ba dạng rắn, lỏng, khí của chất lỏng. Nhưng tùy điều kiện, nước có thể mang trong mình những cấu trúc kỳ lạ và những đặc tính ít thấy. Bằng thử nghiệm mới, các nhà khoa học vừa phát hiện ra thêm một trạng thái nữa của nước, họ gọi nó là băng siêu ion.
Loại băng này hình thành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực lớn, tương tự những điểm sâu trong lòng đất của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Trước đây, các nhà khoa học chỉ phỏng đoán sự tồn tại của băng siêu ion, khi thấy nó manh nha thành hình khi chứng kiến sóng xung kích truyền qua một giọt nước. Giờ đây, các nhà khoa học đã có thể tạo ra băng siêu ion, đồng thời duy trì trạng thái tồn tại của nó để trực tiếp phân tích.
“Quả thực đáng ngạc nhiên. Ai cũng nghĩ rằng trạng thái này sẽ không xuất hiện [tại mức áp suất của thí nghiệm mới]”, đồng tác giả nghiên cứu Vitali Prakapenka nhận định. “Thế nhưng chúng tôi đã có thể ghi lại chi tiết đặc tính của loại băng mới, nhận dạng được một trạng thái vật chất mới, nhờ có sự giúp đỡ của một loạt những công cụ mạnh mẽ”.
Dù con mắt khoa học có thể nhìn ngược về quá khứ, hé nhìn điểm khởi đầu của Vũ trụ hay tận mắt nhìn thấy hạt tạo thành vật chất, ta vẫn chưa thể biết dưới chân ta ẩn chứa những kỳ quan gì. Dưới áp suất lớn và lượng nhiệt khổng lồ, các mũi khoan tan biến như giấc mơ khám phá lòng đất. Ở tầng sâu này, đá cứng lại dẻo như nhựa nóng, thậm chí cấu trúc đơn giản như H2O cũng bắt đầu biến dạng.
Bởi ta không thể tận mắt chứng kiến những hiện tượng lạ diễn ra dưới sâu, các nhà khoa học đành phải mô phỏng những điều kiện khắc nghiệt đó tại phòng thí nghiệm.
Cấu trúc đơn giản của nước chứa được vô vàn thứ phức tạp.
Prakapenka và các cộng sự ép nước giữa hai lớp kim cương - vật liệu rắn chắc nhất Trái Đất để mô phỏng điều kiện áp lực cực cao, rồi bắn tia laser vào kim cương để làm nóng toàn bộ tổ hợp lên. Sau đó, họ sử dụng máy APS, một máy gia tốc lớn có thể bắn electron với tốc độ gần tốc độ ánh sáng, bắn tia X tạo ra được vào mẫu vật để xác định cấu trúc bên trong nó.
Cấu trúc nước hiện ra khác hoàn toàn dự kiến khiến nhà nghiên cứu Prakapenka ngỡ ngàng, ông cho rằng đó phản ứng hóa học ngoài dự kiến khiến cấu trúc nước khác biệt. Nhưng khi quay lại điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng, cấu trúc băng lập tức trở về trạng thái ban đầu.
“Điều đó có thấy quá trình biến đổi là khứ hồi, đây là thay đổi về cấu trúc chứ không phải phản ứng hóa học”, Prakapenka kết luận.
Nhóm nghiên cứu nhận ngay ra rằng họ đang có trong tay một trạng thái mới của vật chất, và nó tồn tại đủ lâu để có thể quan sát và nghiên cứu.
“Bạn hãy tưởng tượng một khối lập phương, các mặt là lưới cấu tạo từ nguyên tử oxy ở các góc được nối với nhau bởi nguyên tử hydro. Khi chuyển sang trạng thái siêu ion, lưới sẽ nở ra cho phép nguyên hydro di chuyển tự do nhưng vẫn khiến nguyên tử oxy đứng một chỗ”, nhà nghiên cứu Prakapenka mô tả.
Đặc tính của vật chất thay đổi: nó bớt đặc hơn, nhưng lại tối màu hơn hẳn bởi lẽ cách băng siêu ion tương tác với ánh sáng đã khác. Tuy nhiên, đó vẫn chưa phải tất cả tính chất của băng siêu ion. “Đây là dạng vật chất mới, hành vi của nó cũng sẽ giống vật chất mới, rất có thể nó sẽ khác những gì chúng tôi vẫn nghĩ”, ông Prakapenka nói.
Kim cương và tia X đã giúp các nhà khoa học xác định được dạng vật chất mới.
Phát hiện gây ngạc nhiên bởi lẽ các nhà khoa học đã dự đoán trạng thái vật chất này từ lâu, hầu hết các mô hình mô phỏng cho rằng nó sẽ không xuất hiện trước thời điểm áp suất lên mức 50 gigapascal. Tuy nhiên, ngay tại áp suất 20 gigapascal, băng siêu ion đã hình thành.
Việc xác định chính xác điều kiện hình thành dạng vật chất sẽ giúp ích cho quá trình vẽ bản đồ cấu trúc lòng đất, thậm chí còn có thể giúp ta nhận ra dấu hiệu của sự sống ngoài Trái Đất. Theo các nhà khoa học, hiện tượng tương tự có thể xuất hiện không chỉ ở Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, mà còn trên nhiều thiên thể có bề mặt đất đá ghồ ghề khác nữa.
Băng siêu ion cũng có vai trò trong điều tiết từ trường Trái Đất, vốn đóng vai trò tối quan trọng trong hỗ trợ sự sống trên Trái Đất; từ trường mạnh mẽ sẽ chắn được các bức xạ độc hại tới từ Vũ trụ, ngăn Trái Đất biến thành hoang mạc như Sao Hỏa hay sao Sao Thủy. Khi biết được điều kiện địa chất làm nên từ trường, các nhà khoa học có thể ứng dụng kiến thức này trong các dự án tìm kiếm hành tinh hỗ trợ được sự sống.
Theo lời nhà nghiên cứu Prakapenka, vẫn còn nhiều khía cạnh khác của đá siêu ion chưa được nghiên cứu tới, như tính dẫn điện, tính dẻo, độ ổn định về mặt hóa học, những thay đổi có thể có khi tương tác với muối hay những khoáng chất khác, v.v… “Thành công này sẽ làm tiền đề cho rất nhiều nghiên cứu khác”, ông Prakapenka nhận định.