Nước vốn là một trong những thành phần quen thuộc và thiết yếu bậc nhất đối với sự sinh tồn của muôn loài trên Trái Đất. Dù xuất hiện khắp nơi từ các cơn mưa, dòng sông cho tới vòi nước sinh hoạt hằng ngày, thứ chất lỏng tưởng chừng đơn giản này lại sở hữu hàng loạt đặc tính kỳ lạ bậc nhất thế giới tự nhiên.
Ngay trong điều kiện thông thường, nước đã thể hiện những hành vi khác biệt hoàn toàn so với các chất lỏng khác: khi đóng băng thể tích lại nở ra khiến khối lượng riêng giảm, sức căng bề mặt cao bất thường và nhiệt độ sôi vượt xa dự tính so với khối lượng phân tử vốn có.
Khi đặt vào những môi trường áp suất và nhiệt độ cực hạn, bản chất biến hóa của nước lại càng vượt ra ngoài mọi hình dung thông thường.
Nước là hợp chất thiết yếu nhưng sở hữu nhiều đặc tính vật lý bất thường ngay ở điều kiện thông thường, và những hành vi này càng trở nên dị biệt dưới áp suất và nhiệt độ cực hạn.
Mới đây, một công trình khoa học mang tính đột phá được công bố trên tạp chí danh tiếng Physical Review Letters đã công bố việc tạo ra một trạng thái băng chưa từng thấy trong lịch sử thực nghiệm.
Dưới sự dẫn dắt của nhà vật lý Alexis Forestier thuộc Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng Thay thế Pháp, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra dạng băng mới ở mức nhiệt độ lên tới 2.630 Kelvin (tương đương 2.357 độ C) cùng áp suất nghiền nát đạt 230 gigapascal - gấp khoảng 2,3 triệu lần áp suất khí quyển tại mực nước biển của Trái Đất và tiến gần tới mức áp suất 360 gigapascal tại tâm Trái Đất.
Ở mức nhiệt độ hàng nghìn độ C như vậy, theo quy luật nhiệt động lực học thông thường, nước chắc chắn sẽ sôi sùng sục, bốc hơi dữ dội hoặc thậm chí phân rã thành các nguyên tử hydro và oxy riêng rẽ. Tuy nhiên, sự giãn nở thể tích tự nhiên của hơi nước đã bị chặn đứng hoàn toàn dưới áp lực hàng triệu atmosphere được tạo ra bởi hai đầu mũi kim cương siêu cứng.
Trong tình trạng bị nén ép nghẹt thở và nung nóng bằng tia laser cường độ cao, mẫu nước siêu nhỏ không thể chuyển thành thể khí mà buộc phải duy trì một mật độ vật chất cực kỳ đậm đặc, biến đổi thành một dạng thức vật chất đặc biệt mang tên băng siêu ion.
Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Alexis Forestier thuộc Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng Thay thế Pháp dẫn đầu đã tạo ra dạng băng mới ở mức áp suất 2,3 triệu atmosphere (230 gigapascal) và nhiệt độ 2.630 Kelvin (2.357°C).
Băng siêu ion là một trạng thái lai vô cùng độc đáo, nơi ranh giới giữa chất rắn và chất lỏng bị xóa nhòa. Trong trạng thái này, các nguyên tử oxy bị khóa chặt vào một khung mạng tinh thể rắn chắc, trong khi các hạt nhân hydro lại có thể tự do di chuyển và khuếch tán xung quanh mạng tinh thể đó hệt như các phân tử trong chất lỏng.
Dù khoa học đã ghi nhận hơn hai mươi pha tinh thể khác nhau của băng nước, cấu hình vừa được nhóm chuyên gia của Alexis Forestier quan sát trực tiếp bằng chùm tia X synchrotron hẹp lại là một cột mốc hoàn toàn mới: băng lục giác xếp chặt, hay còn gọi là băng hcp.
Trước đây, dạng băng siêu ion từng được ghi nhận sở hữu cấu trúc lập phương diện tâm, gọi tắt là băng fcc. Điểm khác biệt mấu chốt giữa băng fcc và dạng băng hcp mới được phát hiện nằm ở cách thức sắp xếp và thứ tự chồng lớp của các nguyên tử oxy ở cấp độ nguyên tử.
Các dữ liệu đo đạc thực nghiệm cho thấy một quá trình chuyển pha rõ rệt khi môi trường ngày một khốc liệt hơn: tại mốc 155 gigapascal và 2.000 Kelvin, mẫu vật là sự pha trộn giữa hai cấu trúc fcc và hcp; khi nâng lên 197 gigapascal và 2.250 Kelvin, các dấu hiệu của hcp dần áp đảo; và tới ngưỡng 219 gigapascal cùng 2.630 Kelvin, cấu trúc fcc gần như biến mất hoàn toàn, nhường chỗ tuyệt đối cho mạng tinh thể hcp.
Tinh thể hcp cũng cho thấy hiện tượng giãn nở đặc trưng của trạng thái siêu ion khi nhiệt độ vượt qua mốc khoảng 1.700 Kelvin.
Dưới áp suất cực lớn nén ép giữa hai mũi kim cương và gia nhiệt bằng laser, nước không thể bay hơi mà bị nén thành trạng thái băng siêu ion - nơi mạng oxy cố định như chất rắn nhưng hạt nhân hydro dịch chuyển tự do như chất lỏng.
Đáng chú ý, khi rà soát lại các tập dữ liệu từ những thí nghiệm cũ, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng một đỉnh nhiễu xạ tia X bí ẩn từng xuất hiện ở áp suất trên 130 gigapascal rất có thể chính là dấu vết của băng hcp mà trước đây chưa ai xác định được.
Điều này khẳng định rằng ở ngưỡng áp suất vượt quá 200 gigapascal, cấu trúc lục giác xếp chặt hcp trở thành trạng thái sắp xếp bền vững hơn hẳn của băng siêu ion.
Phát hiện này mang ý nghĩa to lớn đối với ngành nghiên cứu vũ trụ, đặc biệt là việc tìm hiểu cấu trúc sâu xa bên trong Hệ Mặt Trời. Các nhà khoa học từ lâu đã đưa ra giả thuyết rằng băng siêu ion chiếm tỷ trọng rất lớn bên trong lòng hai hành tinh băng khổng lồ là Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.
Nếu dạng băng hcp sở hữu cơ chế dẫn điện khác biệt so với dạng fcc, sự tồn tại phổ biến của nó ở các tầng áp suất cao sẽ buộc giới thiên văn phải sửa đổi căn bản các mô hình mô phỏng dòng vật chất và sự dịch chuyển điện tích.
Đây chính là chìa khóa then chốt để giải mã nguồn gốc của những trường từ tính kỳ dị, phức tạp và bất đối xứng bao quanh hai hành tinh xa xôi này.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, mở ra yêu cầu tiếp tục làm rõ các đặc tính cơ học và độ dẫn điện của dạng băng hcp này.
Dẫu vậy, nhóm nghiên cứu cũng thẳng thắn thừa nhận rằng các hiểu biết hiện tại về băng hcp mới chỉ ở giai đoạn khởi đầu.
Các nhà khoa học đang kêu gọi triển khai thêm nhiều nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm chuyên sâu nhằm đo lường chuẩn xác tính dẻo cơ học cũng như độ dẫn điện của dạng băng kỳ dị này, đồng thời vạch rõ biên giới ổn định nhiệt động lực học giữa hcp và fcc trong những điều kiện khắc nghiệt nhất.
