Tại sao các nguyên tử chất rắn lại thích những cấu trúc nhất định?

Tự nhiên thích một số dạng đối xứng, nhưng không thích một số dạng khác. Các chất rắn có trật tự thường thể hiện cái gọi là đối xứng quay bậc 6. Để thu được loại đối xứng này, các nguyên tử trong một mặt phẳng bao quanh chúng với 6 láng giềng trong một sự sắp xếp tương tự như cái tìm thấy ở các tổ ong. Ngược lại với loại này, các chất liệu có trật tự với đối xứng bậc 7, bậc 9 hoặc  bậc 11 chưa từng được thấy trong tự nhiên.

Các nhà nghiên cứu ở Viện Nghiên cứu Kim loại Max Planck, trường đại học Stuttgart và TU Berlin đã phát hiện nguyên nhân gây ra hiện tượng này khi họ thử đưa một đối xứng  bậc 7 lên trên một lớp hạt chất keo tích điện, sử dụng những trường laser mạnh: sự xuất hiện của những cấu trúc có trật tự đòi hỏi sự có mặt của những vị trí đặc biệt tương ứng với nơi các hạt nhân trật tự. Thật vậy, những hạt nhân như vậy có mặt với số lượng lớn trong đúng những cấu trúc mà tự nhiên thể hiện sự ưa thích. Trái lại, chúng chỉ phát sinh lác đác với những kiểu mẫu đối xứng  bậc 7. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 29/03/2010).

Quá trình liên quan ở đây nghe có vẻ phức tạp, nhưng thật ra, nó khá đơn giản: một chất liệu có đối xứng quay bậc 6 nếu sự sắp xếp các nguyên tử của nó vẫn không thay đổi khi nó quay đi 60 độ - một phần sáu vòng tròn. Các nguyên tử trong kim loại thường tự sắp xếp có trật tự theo kiểu này. Tuy nhiên, những cấu trúc phức tạp hơn với đối xứng quay bậc 5, bậc 8 hay bậc 10 cũng đồng thời tồn tại. “Thật bất ngờ là những chất liệu với đối xứng bậc 7, bậc 9, và bậc 11 trước nay chưa từng được thấy trong tự nhiên”, theo lời Clemens Bechinger, một khách mời tại Viện Nghiên cứu Kim loại Max Planck và là giáo sư tại trường đại học Stuttgart . “Điều này còn lạ hơn nữa khi nhìn từ quan điểm thực tế là mọi mẫu với bất kì đối xứng dạng nào cũng có thể vẽ ra không chút khó khăn nào ở trên giấy”. Do đó, thắc mắc là không biết những chất liệu như vậy đơn giản là hiện nay bị lãng quên, hay tự nhiên có sự ưa thích đối với những đối xứng nhất định.

Đây là câu hỏi mà Clemens Bechinger đã và đang nghiên cứu cùng các đồng nghiệp của ông. “Câu trả lời hấp dẫn đối với chúng tôi không những từ quan điểm cơ sở mà còn vì có thể hữu ích đối với việc làm biến tính vật liệu với những tính chất kì lạ dùng trong những ứng dụng công nghệ”, nhà vật lí trên giải thích. Các đặc trưng của một chất liệu thường phụ thuộc nhiều vào đối xứng quay của nó, graphite và kim cương chẳng hạn, cả hai đều cấu tạo gồm các nguyên tử carbon và chỉ khác nhau ở sự đối xứng tinh thể của chúng.

alt

Các nhà nghiên cứu ở Stuttgart tạo ra những kiểu mẫu ánh sáng bằng cách chồng vài chùm laser lên nhau. Những cấu trúc hình bông hoa hình thành trong khuôn laser tác dụng như một hạt nhân cho sự sắp trật tự. Chúng phát sinh rất hiếm trong khuôn bậc 7 (góc dưới bên trái) – do đó không có chất liệu nào với đối xứng bậc 7 được tìm thấy trong tự nhiên. Ảnh: Jules Mikhael, Đại học Stuttgart.

Để tạo ra những chất liệu với đối xứng bậc 7, thật ra không tồn tại trong tự nhiên, các nhà nghiên cứu phải dùng đến một thủ thuật đặc biệt: họ chồng bảy chùm laser và nhờ đó tạo ra một kiểu ánh sáng với đối xứng bậc 7. Sau đó, họ đưa một lớp hạt chất keo đường kính xấp xỉ 3 micro mét vào trong trường laser. Tác dụng của trường điện từ của mẫu ánh sáng lên các hạt giống như sự hình thành một địa hình vùng núi, trong đó chúng có xu hướng đổ về các thung lũng. Các hạt chất keo, đẩy nhau ra vì điện tích của chúng, hóa ra lại cố gắng hình thành nên một cấu trúc đối xứng bậc 6.

Các nhà nghiên cứu tăng đặc trưng của diện mạo ánh sáng bằng cách từ từ tăng cường độ của các laser. Theo cách này, họ tác dụng áp suất tăng dần lên các hạt chất keo để hình thành nên một đối xứng bậc 7 thay cho một đối xứng bậc 6. “Điều này cho phép chúng tôi xác định chắc chắn cường độ laser mà các hạt không lập thành trật tự bậc 7 và vẫn giữ được đối xứng bậc 6 của chúng”, theo Jules Mikhael, nghiên cứu sinh đang tham gia dự án trên.

Theo kiểu tương tự, các nhà vật lí đã đưa các hạt vào một mạng ánh sáng bậc 5 và quan sát thấy một sự khác biệt rõ ràng: các hạt rõ ràng tránh một đối xứng bậc 7 và chấp nhận đối xứng bậc 5 ở những cường độ laser tương đối thấp. Do đó, việc tự nhiên từ chối những đối xứng bậc 7 còn được chứng minh trong hệ thống mô hình do các nhà nghiên cứu ở Stuttgart sáng tạo ra.

“Tuy nhiên, điều quan trọng là thí nghiệm của chúng tôi còn làm sáng tỏ nguyên do vì sao các hạt bướng bỉnh từ chối hình thành nên một cấu trúc bậc 7”, Clemens Bechinger lưu ý. Khi các nhà vật lí tăng cường độ laser lên, các hạt ban đầu chỉ chấp nhận một đối xứng bậc 7 ở những chỗ rất cô lập. Chỉ khi cường độ tăng thêm nữa thì trật tự mới phân tán ra toàn bộ mẫu. Các nhà nghiên cứu nhận thấy những cấu trúc nhất định trong khuôn mẫu ánh sáng là điểm xuất phát cho sự đối xứng bậc 7. Những cấu trúc này gồm một tâm điểm của ánh sáng, bao quanh bởi một cái vòng gồm những điểm ánh sáng khác và, do đó, trông tựa như bông hoa nở.

“Trong khuôn mẫu ánh sáng với sự đối xứng bậc 5, chúng tôi tìm thấy những tâm hình đóa hoa này nhiều hơn khoảng 100 lần so với trong mẫu đối xứng bậc 7”, Michael Schmiedeberg giải thích. Mật độ của những hạt nhân này rõ ràng giữ vai trò quan trọng. Mật độ càng cao, thì lực mà các nhà phải tác dụng để tạo ra những cấu trúc có đối xứng quay tương ứng càng nhỏ. Trong trường hợp này, cường độ ánh sáng yếu là đủ cho trật tự có liên quan phân tán ra từ tâm ở giữa.

Sự chênh lệch mật độ của những hạt nhân hình bông hoa cũng giải thích được những đối xứng bậc 8 và bậc 10 phát sinh trong tự nhiên, nhưng những đối xứng bậc 9 và bậc 11 thì không. “Kết quả thật bất ngờ vì nó bao hàm một lập luận hình học đơn giản”, Bechinger nói. “Nó hoàn toàn độc lập với bản chất đặc biệt của tương tác giữa các hạt, và do đó áp dụng được cho hệ chất keo của chúng tôi lẫn các hệ nguyên tử”.

Các thí nghiệm giải thích, trước tiên, vì sao người ta không tìm thấy sự không trùng hợp nào với những chất liệu có những đối xứng nhất định trong tự nhiên. Thứ hai, họ chứng minh được một phương thức chắc chắn, trong đó những cấu trúc như vậy có thể chế tạo nhân tạo trong những hệ chất keo – nghĩa là với sự hỗ trợ của những trường ngoài. Điều này có thể hữu ích cho việc sản xuất những tinh thể quang lượng tử với những đối xứng khác thường trong đó, chẳng hạn, từng lớp chất keo với đối xứng quay bậc 7 được xếp chồng lên nhau. Các tinh thể quang lượng tử gồm những cấu trúc micro, ảnh hưởng đến sóng ánh sáng theo kiểu tương tự như những mạng tinh thể ảnh hưởng đến electron. Do đối xứng quay bậc cao hơn, nên các đặc trưng quang học của những tinh thể quang lượng tử bậc 7 sẽ ít phụ thuộc vào góc tới của chùm tia sáng hơn so với những tinh thể quang lượng tử hiện có với đối xứng bậc 6.

Ngoài ra, những chất liệu với những đối xứng khác thường còn có những đặc trưng hấp dẫn khác, thí dụ như sự cản trở ma sát rất thấp. Kết quả là chúng có thể làm giảm lực ma sát giữa những bộ phận trượt, tức là trong những động cơ khi dùng chúng làm những lớp tráng mỏng trên bề mặt. “Nói chung, việc tìm kiếm những chất liệu với những đối xứng quay khác thường có sự hấp dẫn không nhỏ”, Clemens Bechinger nói. “Những kết quả của chúng tôi có thể giúp nhận ra những đối xứng đặc biệt đáng để tìm kiếm”.

Theo PhysOrg.com


Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Các chuẩn cho hệ SI mới
10/08/2017
Trong khi nước Mĩ vẫn ngoan cố sử dụng các đơn vị Anh như dặm, pound và độ Fahrenheit, thì phần đông thế giới thống nhất
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 2)
05/07/2017
muon (mu-meson; gọi tắt) Người đặt tên: Carl Anderson và Seth Neddermeyer, 1938 Muon là thành viên của họ lepton và hành xử giống
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 1)
26/06/2017
Làm thế nào proton, photon và các hạt khác có được tên gọi của chúng? Theo năm tháng, các nhà vật lí đã đặt tên cho những
Lần đầu tiên làm lạnh laser các phân tử ba nguyên tử
08/05/2017
Lần đầu tiên các phân tử gồm ba nguyên tử đã được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh bằng kĩ thuật laser. Thành tựu
Bí ẩn “sương xanh”
21/04/2017
Tại sao những chất lỏng nhất định chuyển thành màu xanh khi nguội đi là một bí ẩn khiến các nhà khoa học bối rối trong hơn
[Sách] Albert Einstein - Mặt nhân bản
10/04/2017
TVVL giới thiệu bài viết của giáo sư Nguyễn Xuân Xanh về tập sách Albert Einstein - Mặt Nhân Bản vừa phát hành ở Việt Nam, do
Thế nào là một đơn vị thiên văn?
30/03/2017
Khi đương đầu với vũ trụ, con người thích diễn đạt các thứ theo những thuật ngữ quen thuộc. Khi khảo sát các ngoại hành
Nguyên tố Arsenic
26/03/2017
Số nguyên tử: 33 Trọng lượng nguyên tử: 74,92160 Màu: xám Pha: rắn Phân loại: á kim Điểm nóng chảy: không rõ Điểm thăng
Vui Lòng Đợi

Đọc nhiều trong tháng

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com