Một nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Nottingham (Anh) và Đại học Ulm (Đức) vừa công bố phát hiện về một trạng thái vật chất bất thường, trong đó các nguyên tử của chất lỏng không hoàn toàn chuyển động hỗn loạn như quan niệm lâu nay.

Nguyên tử đứng yên giữa “dòng chảy” của chất lỏng

Thông thường, vật chất được mô tả tồn tại ở 3 trạng thái: khí, lỏng và rắn. Nếu chất rắn có cấu trúc trật tự còn chất khí tự do hỗn loạn, thì chất lỏng luôn là trạng thái khó hiểu nhất. Trong chất lỏng, các nguyên tử liên tục dịch chuyển và tương tác nhanh, giống như một “đám đông nhộn nhịp”.

Thời điểm chất lỏng bắt đầu đông đặc quyết định cấu trúc và tính chất của chất rắn hình thành. Đây là yếu tố then chốt trong nhiều quá trình tự nhiên như khoáng hóa, hình thành băng hay gấp nếp protein.

Để hiểu sâu hơn quá trình này, tiến sĩ Christopher Leist đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua SALVE điện áp thấp tại Đại học Ulm. Ông cho biết:

"Chúng tôi bắt đầu bằng cách làm tan chảy các hạt nano kim loại, chẳng hạn như bạch kim, vàng và palađi, được lắng đọng trên một chất nền mỏng nguyên tử gọi là graphene. Chúng tôi sử dụng graphene như một loại bếp điện để làm nóng các hạt, và khi chúng tan chảy, các nguyên tử của chúng bắt đầu chuyển động nhanh chóng, như dự kiến. Tuy nhiên, điều bất ngờ là chúng tôi phát hiện ra rằng một số nguyên tử vẫn đứng yên".

Ngay cả ở nhiệt độ rất cao, những nguyên tử này vẫn cố định tại các khuyết tật điểm trên tấm graphene. Bằng cách dùng chùm tia điện tử tạo thêm khuyết tật, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát tỷ lệ nguyên tử đứng yên trong kim loại lỏng ở mức độ chưa từng có trước đây.

Vòng vây nguyên tử và một pha vật chất mới

Khả năng điều chỉnh số lượng nguyên tử “đứng yên” giúp nhóm nghiên cứu khám phá tác động của chúng đến quá trình đông đặc. Với số lượng nhỏ, tinh thể vẫn có thể hình thành bình thường. Nhưng khi số lượng cao, đặc biệt khi các nguyên tử cố định tạo thành vòng bao quanh phần chất lỏng, sự đông đặc bị cản trở mạnh mẽ. Chất lỏng bị “mắc kẹt”, duy trì trạng thái lỏng ngay cả khi bị hạ xuống mức siêu lạnh.

"Hiệu ứng này đặc biệt nổi bật khi các nguyên tử đứng yên tạo ra một vòng bao quanh chất lỏng. Khi chất lỏng bị mắc kẹt trong vòng vây nguyên tử này, nó có thể duy trì trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với điểm đóng băng của nó, đối với bạch kim có thể thấp tới 350 độ C, tức là hơn 1.000 độ dưới mức thường được mong đợi", Giáo sư Andrei Khlobystov (Đại học Nottingham) cho biết.

Khi lớp bao nguyên tử này bị phá vỡ, phần kim loại lỏng bị dồn nén mới có thể đông đặc, nhưng dưới dạng rắn vô định hình tương tự thủy tinh, trước khi chuyển về cấu trúc tinh thể ổn định.

Bước đột phá mở đường cho ứng dụng rộng rãi

Khám phá này đánh dấu lần đầu tiên hiện tượng “dồn nén”, vốn chỉ được quan sát ở photon và electron, được thực hiện trên các nguyên tử. Trạng thái lai giữa lỏng và rắn này có thể mở ra hướng thiết kế vật liệu mới, chẳng hạn chất xúc tác tự làm sạch với hoạt tính và tuổi thọ cao hơn.

Các nhà nghiên cứu kỳ vọng hiểu biết mới về kim loại quý hiếm sẽ giúp tối ưu việc sử dụng chúng trong công nghệ sạch, đặc biệt trong lĩnh vực chuyển đổi và lưu trữ năng lượng.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ACS Nano.