Một Dạng Nước Kỳ Lạ Có Thể Tồn Tại Khắp Vũ Trụ

Gần đây tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser ở Brighton, New York, một trong những bộ laser mạnh nhất thế giới đã phóng một giọt nước, tạo ra một sóng shock nâng áp suất của nước lên hàng triệu atmosphere và nhiệt độ lên hàng ngàn độ. Tia X xuyên qua giọt nước trong cùng một phần nhỏ của một giây đưa ra cái nhìn đầu tiên của loài người về nước trong những điều kiện cực đoan đó.

Các tia X đã cho thấy rằng nước bên trong sóng shock không trở thành chất lỏng nóng chảy hoặc khí. Mâu thuẫn nhưng giống như những nhà vật lý nhìn chằm chằm vào màn hình trong một phòng kế bên đã dự đoán, các nguyên tử đóng băng thành băng tinh thể.

“Bạn nghe tiếng súng,” Marius Millot của Viện Quốc gia Lawrence Livermore ở California nói, và “ngay lập tức bạn thấy có điều gì đó thú vị đang xảy ra.” Millot là người điều hành thí nghiệm cùng với Federica Coppari, cũng thuộc Viện Lawrence Livermore.

Các phát hiện được công bố trong tuần này trên tạp chí Nature xác nhận sự tồn tại của “băng superionic,” một dạng mới của nước với những đặc tính kỳ lạ. Khác với băng thông thường mà bạn thấy trong tủ lạnh hoặc tại cực bắc, băng superionic có màu đen và nóng. Một khối băng superionic sẽ nặng gấp bốn lần so với băng thông thường. Nó được dự đoán lý thuyết lần đầu tiên hơn 30 năm trước, và mặc dù chưa bao giờ được nhìn thấy cho đến bây giờ, các nhà khoa học nghĩ rằng nó có thể là một trong những dạng phổ biến nhất của nước trong vũ trụ.

Trên khắp hệ Mặt Trời, có thể có nhiều nước tồn tại dưới dạng băng superionic—lấp đầy bên trong của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương—hơn bất kỳ dạng nào khác, bao gồm cả dạng lỏng đang dội mạch trong đại dương trên Trái Đất, Europa và Enceladus. Việc phát hiện băng superionic có thể giải quyết những câu đố từ nhiều thập kỷ về cấu trúc của các hành tinh “băng khổng lồ” này.

Bao gồm sắp xếp hexagonal của phân tử nước được tìm thấy trong băng thông thường, được biết đến với tên “băng I,” các nhà khoa học đã phát hiện được 18 kiến trúc khác nhau của tinh thể băng. Sau băng I, có hai dạng, Ih và Ic, các dạng còn lại được đánh số từ II đến XVII theo thứ tự của sự phát hiện của chúng. (Đúng vậy, có một băng IX, nhưng nó chỉ tồn tại trong điều kiện kỳ diệu, khác với chất liệu hư cấu trong tiểu thuyết Cat’s Cradle của Kurt Vonnegut.)

Băng superionic hiện đã có thể tự nguyện là băng XVIII. Đó là một tinh thể mới nhưng có một cái quay. Tất cả các loại băng nước đã biết trước đây được tạo thành từ các phân tử nước nguyên vẹn, mỗi phân tử có một nguyên tử ôxy liên kết với hai nguyên tử hydro. Nhưng băng superionic, các đo đạc mới xác nhận, không phải như vậy. Nó tồn tại trong một loại hư không siêu thực, phần rắn, phần lỏng. Các phân tử nước cá nhân bị phá vỡ. Các nguyên tử ôxy hình thành lưới lập phương, nhưng các nguyên tử hydro tự do, chảy như một chất lỏng thông qua lồng thép cứng của các nguyên tử ôxy.

Các chuyên gia cho biết việc phát hiện băng superionic xác nhận những dự đoán máy tính, điều này có thể giúp các nhà vật liệu học tạo ra các chất liệu tương lai với các tính chất riêng biệt. Và việc tìm thấy băng đá này đòi hỏi các phép đo siêu tốc và kiểm soát nhiệt độ áp suất tinh tế, tiến bộ trong các kỹ thuật thực nghiệm. “Tất cả những điều này sẽ không thể xảy ra, ví dụ, năm năm trước,” Christoph Salzmann tại Đại học College London nói, người đã phát hiện ra băng XIII, XIV và XV. “Điều này chắc chắn sẽ có tác động lớn.”

Tùy thuộc vào người bạn hỏi, băng superionic có thể là một thêm vào cho các hình thái nước đã phức tạp hoặc là một điều gì đó kỳ lạ hơn. Vì các phân tử nước của nó bị phá vỡ, nhà vật lý Livia Bove của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp và Đại học Pierre và Marie Curie nói, nó không phải là một dạng mới của nước. “Đó thực sự là một trạng thái vật chất mới,” cô nói, “rất ấn tượng.”

Bài toán được Đặt vào Băng

Các nhà vật lý đã tìm kiếm băng superionic từ nhiều năm trước—kể từ khi một mô phỏng máy tính nguyên thủy được thực hiện bởi Pierfranco Demontis vào năm 1988 dự đoán rằng nước sẽ có hình thái kỳ lạ gần như kim loại nếu bạn đẩy nó ra ngoài bản đồ các hình thái băng đã biết.

Dưới áp lực cực độ và nhiệt độ cao, các mô phỏng cho thấy, phân tử nước bị phá vỡ. Với nguyên tử ôxy bị khóa trong một lưới lập phương, “các nguyên tử hydro bây giờ bắt đầu nhảy từ một vị trí trong tinh thể sang vị trí khác, và nhảy tiếp, và nhảy tiếp,” Millot nói. Những nhảy giữa các vị trí lưới diễn ra rất nhanh đến mức các nguyên tử hydro—đã được ion hóa, khiến chúng về cơ bản là proton mang điện tích dương—dường như di chuyển như một chất lỏng.

Điều này cho thấy băng superionic sẽ dẫn điện như kim loại, với các nguyên tử hydro đóng vai trò thông thường của electron. Việc các nguyên tử hydro rời rạc này lan truyền cũng sẽ tăng cường sự lộn xộn của băng, hoặc năng lượng hỗn loạn. Là kết quả, sự tăng của năng lượng hỗn loạn này sẽ làm cho băng này ổn định hơn rất nhiều so với các loại tinh thể băng khác, làm cho điểm nóng chảy của nó tăng lên đáng kể.

Nhưng tất cả điều này dễ tưởng tượng và khó tin. Các mô hình đầu tiên sử dụng vật lý đơn giản hóa, vượt qua tính lượng tử của phân tử thực tế. Các mô phỏng sau đó đã tính đến nhiều hiệu ứng lượng tử hơn nhưng vẫn tránh được các phương trình thực sự cần thiết để mô tả nhiều cơ thể lượng tử tương tác, điều này quá khó để giải quyết tính toán. Thay vào đó, họ dựa vào sự ước lượng, nâng khả năng rằng toàn bộ kịch bản có thể chỉ là một ảo ảnh trong một mô phỏng. Trong khi đó, các thí nghiệm không thể tạo ra áp suất cần thiết mà không tạo ra đủ nhiệt để làm tan chảy cả chất liệu mạnh mẽ này.

Khi vấn đề nảy lửa, các nhà khoa học hành tinh phát triển những nghi ngờ riêng của họ rằng nước có thể có một giai đoạn băng superionic. Ngay khi giai đoạn này được dự đoán lần đầu tiên, tàu thám hiểm Voyager 2 đã đi vào hệ Mặt Trời ngoại, phát hiện ra điều kỳ lạ về các trường từ của các hành tinh “băng khổng lồ” Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Các lĩnh vực xung quanh các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời dường như được tạo thành từ cực Bắc và cực Nam được xác định mạnh mẽ, mà không có cấu trúc khác. Gần như như họ chỉ có nam châm thanh ở trung tâm của họ, được căn chỉnh với trục quay của họ. Các nhà khoa học hành tinh ghi chú rằng đây là “động cơ”: các vùng nội bộ nơi chất lỏng dẫn nổi lên và xoáy khi hành tinh quay, mọc ra các trường từ cực lớn.

Ngược lại, các trường từ từ Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương trông có vẻ lõm lồi và phức tạp hơn, với hơn hai cực. Chúng cũng không căn chỉnh chặt chẽ với quay của hành tinh của họ. Một cách để tạo ra điều này sẽ là cách nào đó để hạn chế chất lỏng dẫn trách nhiệm cho động cơ chỉ vào một lớp vỏ ngoài mỏng của hành tinh, thay vì để nó đi xuống vào hạt nhân.

Nhưng ý tưởng rằng những hành tinh này có thể có hạt nhân rắn, không thể tạo ra động cơ, không có vẻ thực tế. Nếu bạn khoan vào những hành tinh băng này, bạn sẽ mong đợi gặp trước hết là một lớp nước ion, có thể chảy, dẫn dòng và tham gia vào một động cơ. Một cách ngây thơ, dường như vật liệu sâu hơn, ở nhiệt độ nóng hơn, cũng sẽ là chất lỏng. “Tôi từng luôn đùa rằng không có cách nào bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương thực sự là rắn,” Sabine Stanley tại Đại học Johns Hopkins nói. “Nhưng bây giờ dường như họ có thể thực sự.”

Băng Trên Sự Nổ

Cuối cùng, Coppari, Millot và nhóm của họ đã tổng hợp được các mảnh ghép của câu đố.

Trong một thí nghiệm trước đó, được công bố vào tháng 2 năm 2018, các nhà vật lý đã xây dựng bằng chứng gián tiếp cho băng superionic. Họ nén một giọt nước ở nhiệt độ phòng giữa hai đầu nhọn của hai viên kim cương cắt. Khi áp suất tăng lên khoảng một gigapascal, gần 10 lần áp suất ở đáy Vực Marianas, nước đã chuyển thành một tinh thể tứ diện gọi là băng VI. Khoảng 2 gigapascal, nó đã chuyển sang băng VII, một hình dạng khối mật độ cao trong suốt với mắt thường mà các nhà khoa học gần đây cũng đã phát hiện tồn tại trong túi nhỏ bên trong kim cương tự nhiên.

Sau đó, sử dụng laser OMEGA tại Phòng thí nghiệm Laser Energetics, Millot và đồng nghiệp đã nhắm vào băng VII, vẫn nằm giữa các búa kim cương. Khi laser đánh vào bề mặt của kim cương, nó làm hơi chất liệu lên trên, hiệu quả là làm tăng tốc kim cương đi theo hướng ngược lại và gửi một sóng sốc qua băng. Nhóm của Millot đã phát hiện ra rằng băng siêu áp lực của họ tan chảy ở khoảng 4.700 độ Celsius, xấp xỉ như dự kiến cho băng superionic, và rằng nó dẫn điện nhờ vào sự di chuyển của proton mang điện tích.

Với những dự đoán về các tính chất tổng thể của băng superionic được giải quyết, nghiên cứu mới do Coppari và Millot dẫn đầu đã đi đến bước tiếp theo của việc xác nhận cấu trúc của nó. “Nếu bạn thực sự muốn chứng minh rằng điều gì đó là tinh thể, thì bạn cần phải sử dụng tia X phân tán,” Salzmann nói.

Thí nghiệm mới của họ bỏ qua hoàn toàn các loại băng VI và VII. Thay vào đó, nhóm đơn giản làm vỡ nước với những tia laser giữa các búa kim cương. Chưa đầy một tỷ phần của một giây sau đó, khi sóng sốc lan qua và nước bắt đầu tinh thể hóa thành các viên băng kích thước nanômét, các nhà khoa học đã sử dụng thêm 16 tia laser để chưng cất một lát mỏng sắt kế bên mẫu. Plasma nóng phát sinh đã tràn ngập nước đang tinh thể hóa với tia X, sau đó phân tán từ các tinh thể băng, cho phép nhóm nhìn thấy cấu trúc của chúng.

Các nguyên tử trong nước đã sắp xếp lại thành kiến trúc được dự đoán từ lâu nhưng chưa bao giờ được nhìn thấy, ice XVIII: một lưới lập phương với nguyên tử oxy ở mỗi góc và trung tâm của mỗi mặt. “Đó là một đột phá lớn,” Coppari nói.

“Việc tồn tại của giai đoạn này không phải là một hiện tượng của mô phỏng động học phân tử lượng tử, mà là thực tế—điều đó rất đáng tin cậy,” Bove nói.

Và loại kiểm tra chéo thành công như vậy giữa mô phỏng và băng superionic thực sự gợi ý rằng ước mơ cuối cùng của các nhà nghiên cứu vật liệu vật lý có thể sớm được đạt được. “Bạn nói cho tôi bạn muốn tính chất gì trong một vật liệu, và chúng tôi sẽ đi tới máy tính và tìm hiểu lý thuyết vật liệu và loại cấu trúc tinh thể bạn cần,” Raymond Jeanloz, một thành viên của nhóm phát hiện tại Đại học California, Berkeley, nói. “Cộng đồng rộng lớn đang gần kề.”

Các phân tích mới cũng gợi ý rằng mặc dù băng superionic dẫn điện một chút, nhưng nó là một chất rắn nhão. Nó sẽ chảy qua thời gian, nhưng không thực sự quay cuồng. Bên trong Uranus và Neptune, lớp chất lỏng có thể dừng lại khoảng 8.000 km sâu vào hành tinh, nơi một lớp băng superionic chậm chạp, như đội của Millot đã tạo ra, bắt đầu. Điều đó sẽ hạn chế hầu hết hoạt động động cơ đến các độ sâu nông hơn, giải thích cho các trường từ bất thường của các hành tinh.

Các hành tinh và mặt trăng khác trong hệ Mặt Trời có lẽ không chứa các điểm nóng bên trong với nhiệt độ và áp suất phù hợp để tạo ra băng superionic. Nhưng nhiều hành tinh ngoại hành tinh cỡ lớn giống như hành tinh băng có thể, cho thấy chất liệu này có thể phổ biến bên trong thế giới băng khắp thiên hà.

Tất nhiên, không có hành tinh thực sự chỉ chứa nước. Các hành tinh băng trong hệ Mặt Trời của chúng ta cũng kết hợp các loại hợp chất như metan và amoniac. Mức độ mà hành vi superionic thực sự xảy ra trong tự nhiên sẽ “phụ thuộc vào việc liệu những giai đoạn này có còn tồn tại khi chúng ta kết hợp nước với các vật liệu khác hay không,” Stanley nói. Đến nay, điều đó vẫn chưa rõ ràng, mặc dù các nhà nghiên cứu khác đã lập luận rằng amoniac superionic cũng có thể tồn tại.

Ngoài việc mở rộng nghiên cứu của họ sang các vật liệu khác, nhóm cũng hy vọng tiếp tục tập trung vào tính hai mặt lạ kỳ, gần như ngược đời của tinh thể superionic của họ. Chỉ việc chụp lưới nguyên tử oxy “rõ ràng là thí nghiệm khó nhất mà tôi từng thực hiện,” Millot nói. Họ vẫn chưa thấy dòng proton mờ ảo đi qua lưới. “Về mặt công nghệ, chúng tôi chưa ở đó,” Coppari nói, “nhưng lĩnh vực này đang phát triển rất nhanh.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Quanta Foundation, nhiệm vụ của họ là tăng cường sự hiểu biết công cộng về khoa học bằng cách phổ biến các tiến bộ nghiên cứu và xu hướng trong toán học, khoa học tự nhiên và khoa học sống.

Những điều tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Adam Savage về danh sách và sức mạnh của ô vuông kiểm tra
• Những bức ảnh đã mở đường cho Apollo 11
• Phong trào fan Star Wars và chính trị không chín chắn của sự hoài cổ
• Làm thế nào nếu điều hòa không khí có thể giúp cứu (không phá hủy) hành tinh?
• Kitty Hawk, ô tô bay và những thách thức của việc “đi 3D”
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống tại nhà với những lựa chọn tốt nhất của đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến đệm giá cả phải chăng và loa thông minh.
• 📩 Muốn thêm thông tin? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới nhất và tốt nhất của chúng tôi