Chất lỏng không lỏng bền hơn cả tinh thể rắn

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

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

Các bài khác


250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 60)
11/11/2019
Định luật Coulomb về Tĩnh điện 1785 Charles-Augustin Coulomb (1736–1806) “Chúng ta gọi ngọn lửa của đám mây đen ấy là
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 59)
11/11/2019
Lỗ đen 1783 John Michell (1724-1793), Karl Schwarzschild (1873-1916), John Archibald Wheeler (1911-2008), Stephen William Hawking (1942-2018) Các nhà
Chuyển động của các hành tinh đặt ra giới hạn mới lên khối lượng graviton
11/11/2019
Có thể dùng chuyển động của các hành tinh để đưa ra ước tính tốt nhất cho giới hạn trên của khối lượng graviton – một
Đi tìm nguồn gốc của khái niệm du hành thời gian
10/11/2019
Giấc mơ du hành xuyên thời gian vốn đã xưa cũ và ở đâu cũng có. Thế nhưng niềm hứng khởi của con người đối với sự du
Thorium decahydride siêu dẫn ở 161 K
09/11/2019
Một nhóm nhà khoa học, dưới sự chỉ đạo của Artem Oganov ở Skoltech và Viện Vật lí và Công nghệ Moscow, và Ivan Troyan ở Viện
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 92)
09/11/2019
Các kiểu máy tính lượng tử Các nhà vật lí đang phát triển máy tính lượng tử không kì vọng chế tạo được ngay một mẫu
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 91)
09/11/2019
Điện toán lượng tử Máy tính lượng tử hứa hẹn làm thay đổi thế giới theo những cách mà chúng ta không thể hình dung nổi.
Định luật Coulomb về tĩnh điện (Phần 2)
08/11/2019
Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806), nhà vật lí Pháp nổi tiếng với định luật mô tả lực tương tác giữa hai điện tích

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

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