Theo các lí thuyết vật lí chính thống, khi hạ nhiệt độ xuống đủ lạnh thì vật chất chuyển sang pha tinh thể rắn. Nhưng điều đó có lẽ không phải lúc nào cũng đúng, và hai nhà khoa học cho rằng họ đã tìm thấy những trường hợp trong đó một trạng thái giống chất lỏng còn bền hơn cả tinh thể rắn.
Trong thí nghiệm được mô tả trong số ra ngày 4/8/2013 của tạp chí Nature Physics, hai nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô phỏng trên máy tính để tạo ra một chất-lỏng-không-lỏng. Mặc dù thí nghiệm được tiến hành ảo, nhưng nó mang lại kiến thức quan trọng giúp người ta hiểu rõ các tinh thể được tạo ra như thế nào.
Kiến thức này có thể cho các nhà khoa học biết cách ngăn các chất kết tinh khi cần thiết, hoặc giữ chúng ở dạng vô định hình.
Làm lạnh colloid
Để có được chất lỏng mới lạ này, các nhà nghiên cứu bắt đầu với một colloid, hay một chất lỏng có những hạt nhỏ li ti lơ lửng bên trong nó. Một ví dụ kinh điển là sữa, nó chủ yếu là nước nhưng trông có màu trắng do có những hạt nhỏ chất béo và protein nổi trong nó. Tuy nhiên, nếu bạn làm đông sữa thì bạn thu được nước kết tinh – nước đá – còn phần chất màu trắng thì tách riêng ra và đông đặc nếu nó đủ lạnh.
“Một colloid thì có những hạt đủ nhỏ nên nhiệt năng là cái quan trọng,” phát biểu của nhà vật lí Frank Smallenburg tại trường Đại học La Sapeinza ở Rome, Italy, tác giả đứng tên đầu của nghiên cứu trên.
Nhưng nếu các phân tử của colloid liên kết với nhau theo kiểu thích hợp, thì sự kết tinh quen thuộc không xảy ra nữa. Thay vậy, colloid biến thành một dạng bền trông như chất rắn, nhưng có cấu trúc phân tử của chất lỏng.
Smallenburg đã mô phỏng một colloid trên máy vi tính, và đưa vào các phương trình mô tả nó hành xử như thế nào khi nhiệt độ giảm. Sử dụng một mô hình máy tính của các phân tử gồm bốn liên kết, ông thấy nếu những liên kết đó là cứng nhắc thì sự kết tinh xảy ra nhanh chóng. Tuy nhiên, nếu chúng là linh hoạt, thì các liên kết vẫn ở trạng thái lộn xộn và tạo ra sự kết tụ thành cục. Làm lạnh thêm nữa thì chúng trở nên giống như thủy tinh – các phân tử lộn xộn không chảy mà tạo ra một loại chất rắn vô định hình.
“Khi chúng tôi làm cho các liên kết linh hoạt hơn, thì pha lỏng vẫn bền ngay cả ở những nhiệt độ cực thấp,” Smallenburg nói. “Những hạt đó sẽ không bao giờ xếp trật tự thành tinh thể, trừ khi chúng bị nén đến mật độ cao.”
Sử dụng chương trình mô phỏng trên máy vi tính, các nhà vật lí đã tạo ra một pha lỏng không lỏng bền hơn cả chất rắn. Ảnh minh họa: blackbeller
Năng lượng và entropy
Các phân tử có các liên kết linh hoạt hành xử theo kiểu này bởi vì hai yếu tố cạnh tranh trong một chất lỏng đang lạnh đi: năng lượng và entropy – entropy là số đo mức độ lộn xộn của một hệ. Trong chất lỏng, các phân tử chuyển động ngẫu nhiên, còn trong tinh thể chúng sắp xếp thành mạng lưới đều đặn, cho nên chất lỏng có entropy lớn hơn chất rắn kết tinh.
Khi một chất lỏng lạnh đi, các phân tử chuyển động kém dần. Chúng có ít năng lượng hơn, vì thế chúng cố tự sắp xếp theo những kiểu dễ dàng hơn (tốn ít năng lượng hơn). Các phân tử như nước sẽ liên kết với nhau theo một góc nhất định, vì làm thế sẽ tốn ít năng lượng hơn; liên kết tạo ra tinh thể băng sáu mặt quen thuộc là trạng thái năng lượng thấp hơn cả. Đồng thời, lượng entropy thật sự giảm khi nước đóng băng.
Các phân tử colloid có liên kết linh hoạt có nhiều cách hơn để kết nối với đồng đội của chúng trong dạng lỏng. “Khi các liên kết đủ linh hoạt, số lượng cách mà bạn có thể kết nối tất cả các hạt với bốn láng giềng và tạo ra một cấu trúc không trật tự thì nhiều hơn so với số lượng kiểu liên kết mang lại một tinh thể,” Smallenburg nói.
Kết quả là một chất lỏng hành xử theo kiểu giống như một chất rắn.
Mô phỏng trên máy tinh thật sự mô tả một số hệ có thật, Smallenburg cho biết. Có các polymer, và các phân tử hữu cơ lớn, như ADN, có những đặc tính giống như vậy. Kể cả nước và silica cũng có thể được mô phỏng.
Giai đoạn tiếp theo sẽ là làm thí nghiệm với chất liệu thực tế, ví dụ như nghiên cứu polymer. Smallenburg cho biết nhóm của ông đang hợp tác với một đội người Pháp nghiên cứu các polymer hành xử giống như silica khi chúng bị nóng lên. Theo Smallenburg, chỉ cần cải tiến đôi chút, mô phỏng mới có thể áp dụng cho trường hợp này.
Theo Jesse Emspak, LiveScience
