Một đội nghiên cứu quốc tế vừa phát triển một kĩ thuật cho phép tạo ra những áp suất tĩnh cao hơn bao giờ hết trong phòng thí nghiệm, sử dụng một tế bào đe kim cương mới được thiết kế. Đội nghiên cứu đã có thể tạo ra áp suất 640 gigapascal (GPa) – cao hơn minh chứng trước đây 50% và cao hơn 150% so với áp suất thu được bởi đa số những thí nghiệm áp suất cao tiêu biểu.
Ở những áp suất lớn hơn rất nhiều so với áp suất tìm thấy trên mặt đất, vật chất có thể hành xử theo những kiểu kì lạ. Oxygen có thể trở nên siêu dẫn, trong khi các kim loại có thể biến thành chất cách điện. Trong một thí nghiệm hồi năm 2007, người ta thấy sodium (natri) chuyển thành trong suốt khi bị nén bởi một áp suất 200 GPa – mạnh gấp hai triệu lần áp suất tại mặt đất. Các nhà lí thuyết đã dự đoán, và đã có một số quan sát chưa được xác nhận, rằng hydrogen có thể trở thành kim loại.
Ảnh chụp một tế bào đe kim cương tại cơ sở laser Omega ở Mĩ. (Ảnh: Eugene Kowaluk)
Nâng dần áp suất
Tế bào đe kim cương là công cụ được chọn để tạo ra áp suất cực cao vì nó nén mẫu chất giữa hai tinh thể kim cương nhỏ xíu loại đá quý – kim cương là một trong những chất cứng nhất từng được biết. Thật không may, kim cương dẫu cứng thế, nhưng cuối cùng chúng luôn bị hỏng. Cho nên không dễ dàng gì thu được những áp suất tĩnh cao vượt mức 250 GPa, và với mức trên 420 GPa là chuyện hầu như không thể.
Cho đến nay, cách duy nhất thu được những áp suất cực cao trong phòng thí nghiệm là dùng sóng xung kích bắn phá một mẫu chất, làm nén nó đột ngột để tạo ra áp suất hàng trăm gigapascal. Nhưng kĩ thuật này có hai nhược điểm: thứ nhất, nó chỉ cho thời gian quan sát vài nano giây; thứ hai, nó sinh ra rất nhiều nhiệt đi cùng với áp suất rất cao, nên khó phân biệt các hiệu ứng vì chất rắn thường đã chuyển thành chất lỏng. Đây là cái trở ngại đối với các nhà địa vật lí muốn nghiên cứu các tương tác tại tâm Trái đất, nơi áp suất thường ổn định trên mức 350 GPa, và kể cả nghiên cứu các hành tinh khí khổng lồ, nơi áp suất bên trong cũng vượt quá giá trị trên. Một công cụ tạo ra áp suất tĩnh trong vùng ngưỡng này sẽ thật sự hữu ích trong hộp công cụ của nhà địa vật lí.
Những đám mây kim cương
Để phát triển một công cụ như vậy, Leonid Dubrovinsky và Natalia Dubrovinskaia thuộc trường đại học Bayreuth ở Đức, cùng với các đồng nghiệp ở Bỉ và ở Mĩ, đã khảo sát kĩ lưỡng tế bào đe kim cương hiện có. Khi kim cương cuối cùng bị gãy, chúng gãy theo một trong những mặt phẳng phân tách chạy xuyên qua vật. Dựa trên nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu biết rằng một viên kim cương tạo nên từ vô số tinh thể nhỏ sẽ không có những mặt phẳng phân tách rõ ràng như thế này.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo những bán cầu kim cương vi tinh thể, đường kính chừng 12–20 μm, từ những quả cầu carbon nhỏ xíu ở nhiệt độ 2200 K và áp suất 20 GPa, sử dụng một kĩ thuật mới phát triển. Sau đó, họ chế tạo một cái đe kim cương hai tầng. Ở phía bên ngoài cái đe nén đó, họ sắp xếp hai cái đĩa kim cương phẳng loại đá quý. Bên trong họ đặt những bán cầu vi tinh thể của họ. Các cạnh phẳng được đặt trên đĩa, với những cạnh cong, cho diện tích tiếp xúc nhỏ nhất và áp suất lớn nhất, được đặt trên mẫu. Sau một số tối ưu hóa, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo áp suất tĩnh lên tới 640 GPa của kim cương vi kết tinh nén lên mẫu, cho phép họ đo phương trình trạng thái của rhenium và vàng ở những áp suất cực cao này.
Tăng dần độ ổn định
Dubrovinskaia tin rằng bằng cách bổ sung thêm sự điều khiển bằng máy vi tính sẽ có thể cải thiện độ ổn định của áp suất trong dụng cụ trên. “Bằng cách tăng độ ổn định, chúng ta sẽ có thể đạt tới những áp suất cao hơn,” bà nói. “Đó mới là một mặt thôi – mặt kia là cải thiện bản thân các chất liệu. Độ bền của kim cương vi kết tinh, giống như mọi chất đa tinh thể khác, không giống nhau tùy thuộc vào kích cỡ của các hạt nano. Cho nên nếu chúng ta sử dụng những hạt tinh thể nano có kích cỡ khác nhau và hình dạng khác nhau, thì nó có thể giữ một vai trò đáng kể.”
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng “việc thu được 1 TPa trong các thí nghiệm nén tĩnh với tế bào đe kim cương hai tầng là một mục tiêu có thể làm được”. Áp suất tại lõi của những hành tinh khí khổng lồ là khoảng 700 GPa, cho nên nếu Dubrovinskaia và các đồng sự tiếp tục hoàn thiện kĩ thuật của họ, có lẽ các nhà thiên văn sẽ sớm có một công cụ để nghiên cứu các điều kiện bên trong những hành tinh này.
Tham khảo: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n10/full/ncomms2160.html
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
