Giới khoa học sở hữu một trong những tia laser mạnh nhất thế giới, và họ cũng ứng dụng được nó vào một thử nghiệm xứng đáng với sức mạnh của mình: họ tạo ra được băng nóng “siêu tính ion”, thứ băng có thể tồn tại được ở nhiệt độ cực cao.
Dạng băng đặc biệt này duy trì được trạng thái đóng băng nhờ áp lực cực lớn, và kết quả nghiên cứu đã cho ta hiểu thêm về băng, những cấu trúc bao phủ lấy cả một hành tinh như Sao Thiên Vương hay Sao Hải Vương.
Trên bề mặt Trái Đất, mức nhiệt độ để nước sôi và đóng băng không cách nhau nhiều, chỉ đơn giản là nóng thì sôi mà lạnh thì cứng lại thành băng. Nhưng cả hai trạng thái này sẽ thay đổi khi nước nhận thêm yếu tố áp lực, đây cũng là lý do tại sao khi đưa nước lên cao, nhiệt độ sôi của nước sẽ giảm dưới mốc 100 độ C.
Còn trong môi trường chân không của Vũ trụ, nước không thể tồn tại dưới dạng lỏng. Nó ngay lập tức sôi, biến thành hơi nước ở mức nhiệt -270 độ C - nhiệt độ trung bình của Vũ trụ, để rồi thăng hoa thành các tinh thể băng nhỏ.
Giả thuyết đặt ra là trong môi trường có áp suất cực lớn, điều trái khoáy sẽ diễn ra với nước: nước sẽ cứng lại, ngay cả khi nhiệt độ môi trường lên cực cao. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đã tận mắt chứng kiến hiện tượng kỳ thú này, để viết thành một bài báo cáo khoa học được đăng tải năm ngoái.
Và giờ, bằng một thử nghiệm mới, họ đã chứng minh được những gì mình tuyên bố. Họ muốn đặt tên cho thứ băng mới này là Ice XVIII.
Họ tạo ra Ice XVIII, dạng tinh thể băng xuất hiện ở môi trường có áp lực gấp 30.000 áp lực khí quyển trên Trái Đất (3 gigapascal) rồi bị bắn bởi tia laser cực mạnh. Kết quả cuối cùng: bên trong băng xuất hiện dòng chảy ion dẫn điện chứ không phải dòng electron, vì thế mới có cái tên “băng siêu tính ion - superionic”.
Trong thử nghiệm trước, đội ngũ mới chỉ quan sát những yếu tố cơ bản như năng lượng và nhiệt độ, những chi tiết phức tạp hơn bên trong cấu trúc băng vẫn còn là điều bí ẩn. Lần thí nghiệm này, họ vẽ ra thí nghiệm sử dụng tia laser và nhiễu xạ X-quang để quan sát cấu trúc tinh thể của băng.
“Chúng tôi muốn xác định rõ cấu trúc nguyên tử của nước siêu tính ion”, nhà vật lý học Federica Coppari nói.
“Nhưng trong điều kiện rất khó tái tạo, điều kiện mà vật chất có thể có trạng thái ổn định, rất khó để chụp hình nước được đặt sức ép đó và trong nhiệt độ cao như vậy, chúng tôi cần thiết kế một hệ thống mới”.
Và đây là những gì họ đã thực hiện:
Đầu tiên là một lớp nước mỏng đặt giữa hai cái đe kim cương. Sáu thiết bị laser lớn tạo ra một sóng xung kích tăng dần sức ép lên nước, đến ngưỡng 100-400 gigapascal, khoảng 1-4 triệu lần áp lực khí quyển Trái Đất.
Cùng lúc đó, họ tạo ra nhiệt độ 1.650 tới 2.760 độ C, khoảng một nửa sức nóng bề mặt Mặt Trời - khoảng 5.505 độ C.
Một ví dụ về đe kim cương, không rõ họ có sử dụng thiết bị tương tự để làm thử nghiệm mới với băng không.
Thí nghiệm này được thiết kế để nước có thể đóng băng khi bị nén, nhưng bởi điều kiện áp suất và nhiệt độ đặc biệt đó chỉ duy trì được trong một phần giây, các nhà vật lý học không chắc tinh thể băng có thể hình thành hay không.
Vì thế, họ sử dụng tia laser để bắn 16 lần vào lớp sắt mỏng, tạo ra sóng plasma và tia X-quang ở đúng thời điểm. Chúng làm nhiễu xạ tinh thể bên trong băng, cho thấy thứ nước chịu áp lực đã bị đóng băng và vật chất đang trong trạng thái ổn định.
X-quang đem lại cho giới khoa học một cấu trúc tinh thể chưa từng thấy trước đây: một tinh thể lập phương với nguyên tử oxy nằm ở mỗi đỉnh, và một nguyên tử oxy nằm chính giữa mỗi mặt.
Kết quả thí nghiệm cho thấy cách những hành tinh băng khổng lồ có thể có một từ trường riêng của mình, một từ trường nghiêng ở góc lạ và đường xích đạo thì không cắt ngang hành tinh giống Trái Đất chúng ta.
Trước đây, ta đã cho rằng những hành tinh như Sao Thiên Vương hay Sao Hải Vương không có lớp manti như Trái Đất, mà là các dòng biển mang tính ion và các dòng ammonia. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy những hành tinh này có thể có lớp manti cứng như Trái Đất, nhưng làm từ băng siêu tính ion chứ không phải lớp đá nóng.
Băng siêu tính ion có khả năng dẫn điện, nên hoàn toàn có khả năng ảnh hưởng tới từ trường Trái Đất.
“Bởi băng ở Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có cấu trúc tinh thể lưới, chúng tôi dự đoán rằng băng siêu tính ion sẽ không chảy như dung dịch, giống như cách sắt lỏng chảy bên ngoài lõi ngoài của Trái Đất. Thay vào đó, băng siêu tính ion sẽ chảy như lớp manti làm từ đá cứng của Trái Đất”, nhà vật lý học Marius Millot cho hay.
“Nó sẽ thay đổi cách hiểu của ta về các giai đoạn hình thành nên hành tinh băng khổng lồ, cũng như những người anh em của chúng”.
Nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí Nature.
Tham khảo ScienceAlert