Băng đá không phải lúc nào cũng lạnh giá, có thể đạt tới nhiệt độ hàng nghìn độ C

Băng đá với nhiệt độ cao nghe có vẻ phi lý, nhưng các nhà nghiên cứu đã thành công tạo ra một 'khối băng nóng': 'nước' vẫn đóng băng ở hàng nghìn độ C!

Có thể nói như tìm thấy khối băng trên bề mặt Mặt Trời. Loại băng này khác hoàn toàn với khối đá trong tủ lạnh. Nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở Mỹ tạo ra khối băng này trong 4 năm.

Bước đầu tiên là nén nước siêu tinh khiết bằng 'đe kim cương', tạo ra áp suất lên tới 2,5 tỷ Pascal, khiến nước lỏng biến thành băng ở 25°C.

Ở nhiệt độ bình thường, nước là chất lỏng do chuyển động không đều của các phân tử.

Chỉ khi nhiệt độ giảm xuống còn 0°C, nước mới chuyển động đủ chậm để tạo thành băng.

Tuy nhiên, dưới áp lực khí quyển tiêu chuẩn, nước chỉ đóng băng ở 0 ° C. Khi áp lực thay đổi, nhiệt độ đóng băng của nước có thể thay đổi theo.

Trong đe kim cương, các phân tử nước tạo ra liên kết mạnh mẽ hơn do áp lực lớn hơn. Tuy nhiên, sự tương đồng giữa băng này và băng thông thường chỉ xuất hiện bên ngoài: các phân tử nước của lớp trước được xếp chặt hơn và có mật độ cao hơn 60% so với lớp sau.

Nhưng cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã sản xuất thành công băng nóng, có thể tồn tại ở nhiệt độ cao. Loại băng này còn được gọi là 'băng siêu ion'. Quá trình sản xuất băng siêu ion đòi hỏi sử dụng tia laser, cụ thể là sáu tia laser.

Các nhà nghiên cứu đã gửi đá từ nước tinh khiết vào đe kim cương tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester, Hoa Kỳ. Sau đó, họ đặt toàn bộ thiết bị vào trung tâm của một quả cầu có đường kính 3,3m và đặt tảng băng giữa hai viên kim cương. Khối này sau đó được chiếu xạ bởi 6 tia laser UV. Thời gian chiếu xạ chỉ kéo dài 1 nano giây, nhưng đủ để tạo ra công suất lên tới 1 nghìn tỷ watt.

Công suất lớn này được chuyển đổi thành một sóng xung kích xuyên qua khối băng, tăng áp lực để nén khối băng. Áp lực này gấp 2 triệu lần áp suất khí quyển. Ngoài ra, năng lượng từ tia laser cũng làm tăng đáng kể nhiệt độ của khối băng lên ít nhất 1700°C! Điều này là điều kiện cần thiết để tạo ra băng siêu ion.

Mặc dù diễn giải dài dòng, nhưng thí nghiệm này chỉ kéo dài 20 nano giây. Đe kim cương và băng siêu ion sẽ bốc hơi gần như ngay lập tức sau khi sóng xung kích đi qua.

Do đó, các nhà nghiên cứu chỉ có thể quan sát băng siêu ion trong một thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, họ đã thành công trong việc 'nhìn thấy' băng siêu ion. Họ đã sử dụng một máy ảnh tốc độ cực cao, có thể chụp một bức ảnh 1000 pixel mỗi 20 pico giây. Nhờ vào thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã khám phá thành công bí mật về khả năng dẫn điện của băng siêu ion. Ở trạng thái siêu âm, nước đá có khả năng dẫn điện!

Trước khi thực hiện thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã dự đoán được tính chất này dựa trên nghiên cứu lý thuyết về băng siêu ion trong gần 30 năm qua.

Theo mô hình tương ứng, nước đá không phát ra electron trong điều kiện thí nghiệm này, nhưng nó phát ra nguyên tử hydro trong phân tử nước. Chính xác hơn, đó là nguyên tử hydro mất một electron: chỉ còn lại các proton, tạo nên hạt nhân hydro dương.

Để hiểu rõ hơn hiện tượng này, chúng ta cần quan sát cục băng đá đặc biệt này. Ở cấp độ nguyên tử, nước đá là một chất rắn kết tinh: tất cả các phân tử của nó được sắp xếp theo một khuôn mẫu nhất định.

Khi nước đá chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, sự sắp xếp của các phân tử sẽ thay đổi. Khi chúng ta nén chúng ở áp suất cao, các phân tử theo cấu trúc hình khối sẽ phải cấu trúc lại và thu gọn khoảng cách giữa chúng, vì vậy một số nguyên tử hydro có thể di chuyển giữa các phân tử nước lân cận.

Các nguyên tử hydro này sẽ từ bỏ electron ban đầu trong quá trình di chuyển, do đó trở thành proton di động. Trong băng siêu ion, hiện tượng này trở nên rõ ràng hơn: áp suất lớn làm giảm khoảng cách giữa các phân tử và nhiệt độ cực cao cung cấp năng lượng, khiến tất cả các proton đều di chuyển.

Các nguyên tử oxy trong phân tử nước vẫn được sắp xếp theo cách ban đầu, nhưng các proton liên tục di chuyển. Những hạt mang điện dương này có thể di chuyển tự do và đây chính là lý do tại sao băng siêu ion có khả năng dẫn điện. Ngoài việc xác nhận các dự đoán trên lý thuyết, việc chuẩn bị và quan sát băng siêu ion trong phòng thí nghiệm cũng sẽ giúp giải thích bí ẩn bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, hai hành tinh này chủ yếu là nước (chiếm 65% khối lượng tổng).

Dựa vào kích thước của chúng (Sao Thiên Vương có đường kính khoảng 51.000 km, Hải Vương Tinh có đường kính khoảng 49.000 km), các nhà vật lý ước tính chỉ cần thâm nhập khoảng 8.000 km vào bầu khí quyển cực kỳ dày đặc của hai hành tinh này là có thể tìm thấy băng siêu ion.

Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có một lớp phủ rắn được tạo thành từ các lớp băng siêu ion dày. Cấu trúc này có thể giải thích từ trường cực kỳ đặc biệt của hai hành tinh này: chúng không có hai cực từ như Trái Đất, thay vào đó chúng có đến 4 cực từ trường.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở bước nói trên và sao Thiên Vương và sao Hải Vương không được tạo thành từ nước tinh khiết, chúng còn chứa amoniac và metan... Nếu thêm các tạp chất này vào thì hiệu suất của băng siêu ion sẽ ra sao? Tất cả câu trả lời chỉ có thể đợi vào thời gian và những thí nghiệm tiếp theo để giải đáp.