Tạo ra loại băng mới có mật độ như nước lỏng

Các nhà nghiên cứu từ Đại học College London tạo ra một dạng băng chưa từng thấy có thể làm sáng tỏ những bí ẩn của nước ở thể lỏng.

Khi nước đóng băng một cách tự nhiên trên Trái đất, các phân tử của nó xếp chồng lên nhau thành một cấu trúc tinh thể có tổ chức. Lớp băng kết tinh này là một trong những đặc điểm kỳ lạ của H₂O, vì nó nổi trên mặt nước lỏng ở trạng thái rắn chứ không chìm. Nguyên nhân là do những khoảng trống tương đối lớn trong cấu trúc tinh thể của nước đá, so với các vật liệu khác tạo thành cấu trúc đặc hơn khi chúng kết tinh.

Tuy nhiên, nếu thao tác đúng cách, nước lỏng cũng có thể đóng băng ở trạng thái vô định hình hay vô tổ chức. Chúng ta đã biết về hai loại băng vô định hình: mật độ cao và mật độ thấp. Có một khoảng trống ở giữa mà các nhà nghiên cứu nghĩ rằng không có cách nào để tạo ra băng vô định hình mật độ trung bình, hay MDA, nhưng khi Giáo sư vật lý hóa học Christoph Salzmann và các đồng nghiệp tại Đại học College London của Anh đặt đá thông thường - có cấu trúc tinh thể hình lục giác - vào một chiếc cốc có các ổ bi thép được làm lạnh đến -200°C, điều kỳ lạ đã xảy ra.

Thí nghiệm tạo ra MDA trước sự kinh ngạc của mọi người. Nó có mật độ nằm giữa hai dạng băng vô định hình đã biết, gần như chính xác với mật độ của nước lỏng, theo nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Science hôm 2/2.

Băng vô định hình mật độ trung bình được tạo ra bằng cách cho băng thông thường tiếp xúc với các ổ bi thép rất lạnh. (Ảnh: Christoph Salzmann).

Dạng băng mới hình thành ở nhiệt độ -196°C. Nó có mật độ 1,06g/cm³, để so sánh, nước có mật độ 1g/cm³. Ngoài ra, nó còn có một số tính chất kỳ lạ, chẳng hạn như khi các nhà nghiên cứu nén và làm nóng băng vô định hình mật độ trung bình đến -120°C, nó kết tinh lại và giải phóng một lượng nhiệt lớn.

"Với các dạng băng vô định hình khác, nếu bạn nén chúng và giải phóng áp suất, không có gì xảy ra. Nhưng MDA bằng cách nào đó có khả năng lưu trữ năng lượng cơ học và giải phóng nó thông qua quá trình đốt nóng", Salzmann giải thích.

Nhóm nghiên cứu gợi ý rằng MDA có thể là nước ở dạng "pha thủy tinh", một dạng vật chất tiếp tục hoạt động giống như chất lỏng ngay cả ở nhiệt độ cực thấp (trong khoảng thời gian ngắn, thủy tinh có thể xuất hiện ở thể rắn, nhưng trong khoảng thời gian dài hơn nó chảy như một chất lỏng nhớt).

Nước lỏng trông có vẻ bình thường nhưng chứa những bí ẩn khi nó được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp. Dựa trên khoảng cách giữa băng vô định hình mật độ thấp và mật độ cao, các nhà khoa học trước đây từng suy đoán nước siêu lạnh có thể thực sự tồn tại ở hai pha lỏng khác nhau cùng lúc, với một pha nổi trên pha kia, nhưng sự tồn tại của MDA khiến ý tưởng này bị nghi ngờ.

"MDA không phải dạng kết tinh như băng thông thường và có mật độ giống như nước lỏng, vì vậy nó đặt một câu hỏi lớn: thứ này là gì?", Salzmann nói thêm. "Tôi tin rằng nếu có thể tìm ra MDA là gì, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về nước ở thể lỏng".

MDA có thể là một thành phần quan trọng trên các mặt trăng băng giá của các hành tinh khí khổng lồ trong hệ Mặt Trời. Những thế giới kỳ lạ này chịu lực kéo cực mạnh do lực hấp dẫn của hành tinh chủ, điều đó có thể tạo điều kiện thích hợp để MDA hình thành. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng khi lớp băng này nóng lên, nó giải phóng một lượng nhiệt phi thường, có thể gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động địa chất của những thế giới đó.

Cập nhật: 06/02/2023 VnExpress