Loại vật chất mới tồn tại đồng thời ở thể rắn và thể lỏng

Một loại vật chất mới có thể vừa ở thể rắn vừa ở thể lỏng.

Trong trạng thái chuỗi-nóng chảy này, các lớp tan chảy và lớp chất rắn đan xen nhau ở cấp độ nguyên tử. Theo một nghiên cứu mới, sử dụng các mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu đã đưa potassium (kali) ảo vào trạng thái chuỗi-nóng chảy bằng cách cho kim loại này chịu điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao.

Các mô phỏng máy tính mới cho biết, những nguyên tố nhất định có thể tồn tại đồng thời ở thể rắn và thể lỏng.

Ngoài ra, trạng thái nước đôi này vẫn tiếp tục tồn tại bất chấp các thay đổi lớn về điều kiện thí nghiệm trong mô phỏng. Bằng chứng này cũng cho thấy trạng thái chuỗi-nóng chảy là một kiểu vật chất bền chứ không đơn thuần là một chuyển tiếp giữa thể rắn và thể lỏng.

Các thí nghiệm này được tiến hành ở cấp độ nguyên tử trong một môi trường ảo, vậy tình huống sẽ ra sao nếu chúng ta giữ một vật ở trạng thái đặc biệt này?

“Nó sẽ trông và cảm nhận giống như chất rắn, nên bạn có thể nhặt nó lên, rồi sẽ có một phần chất lỏng ở trong nó có thể rò ra ngoài,” đồng tác giả Andreas Hermann cho biết.

“Thế nhưng một khi chất lỏng thất thoát khỏi khối vật liệu, thì một phần của bộ phận chất rắn sẽ tan chảy để lấp đầy nó,” Hermann nói.

Các nhà khoa học đã chứng minh trong một nghiên cứu trước đây rằng potassium, một kim loại hoạt tính cao, có chút kì lạ. Họ chỉ ra rằng dưới áp suất cao, potassium hình thành nên một cấu trúc tinh thể khác thường gồm hai mạng tinh thể khác nhau, quyện vào nhau, “đi từ một sắp xếp nguyên tử rất đơn giản đến thứ gì đó rất phức tạp,” Hermann nói.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học chạy các mô phỏng cho potassium chịu nhiệt độ cao và áp suất cao. Việc tích hợp học máy vào các mô phỏng làm tăng đáng kể số lượng nguyên tử mà các tác giả nghiên cứu có thể kiểm tra – trong trường hợp này là 20.000 nguyên tử cùng lúc.

Trong các mô phỏng mới, khi nhiệt độ nóng lên, potassium biểu hiện rất lạ. Sau khi các nguyên tử của nó hình thành một cấu trúc tinh thể quyện vào nhau, thì các nguyên tử trong một mạng được liên kết mạnh, duy trì trạng thái rắn. Nhưng tín hiệu từ mạng kia biến mất, báo hiệu sự mất trật tự ở các nguyên tử.

Nói cách khác, các nguyên tử này trở thành thể lỏng trong khi các láng giềng nguyên tử liền kề của nó vẫn ở thể rắn, tạo ra một trạng thái chẳng rắn chẳng lỏng, mà là một hỗn hợp của cả hai, “hòa quyện vào nhau ở cấp độ nguyên tử”.

Một khi các mẫu potassium đạt tới trạng thái nước đôi này, chúng vẫn nán lại ở dạng một phần lỏng một phần rắn như thế này, ngay cả sau khi nhiệt độ tăng lên hàng trăm độ, Hermann cho biết.

Các nguyên tử khác cũng đã chỉ ra rằng potassium không phải là nguyên tố duy nhất phát triển hai mạng tinh thể nguyên tử đan xen dưới áp suất cao, và các nguyên tố này – “các láng giềng của potassium và đâu đó khác trên bảng tuần hoàn” – cũng có khả năng duy trì trạng thái một phần lỏng một phần rắn.

Và hệ thống học máy mà các tác giả nghiên cứu phát triển để khảo sát potassium cũng có thể được dùng cho các chất khác, để giải mã xem các điều kiện cực độ ảnh hưởng như thế nào đến chúng ở cấp độ nguyên tử.

“Đây là bằng chứng trên nguyên lí: một kĩ thuật điện toán rẻ tiền có thể mô tả các vật liệu trên một phạm vi rộng của áp suất và nhiệt độ, bao gồm một số trạng thái rất kì lạ giống như trạng thái mà chúng tôi trình bày trong bài báo này,” Hermann nói. “Đó là mục tiêu của chúng tôi, chuyển sang các vật liệu khác trong đó chúng tôi có thể trả lời được những câu hỏi khoa học vật liệu có liên quan khác.”

Các kết quả sẽ được công bố online trên số ra sắp tới của tạp chí Proceedings of the National Academies of Science.

Nguồn: LiveScience