Giới khoa học thấy điều chưa từng có khi nén nước giữa 2 viên kim cương

Từ trước tới nay, nước luôn là chìa khóa đầu tiên được giới nghiên cứu tìm kiếm khi hướng tầm mắt tới những thế giới xa xôi bởi nơi nào có dòng nước, nơi ấy nhen nhóm hy vọng về sự sống. Thế nhưng, câu hỏi về bản chất thực sự của những giọt nước ở các không gian khắc nghiệt ấy vẫn luôn bỏ ngỏ và thôi thúc sự tò mò của nhân loại.

Nhằm tìm lời giải đáp cho bài toán này, một nhóm chuyên gia do giáo sư Ashkan Salamat tại Đại học Nevada cơ sở Las Vegas (UNLV) (Mỹ) dẫn dắt đã tiến hành một thí nghiệm đặc biệt. Họ đặt một giọt nước siêu nhỏ vào giữa 2 đầu kim cương rồi siết chặt bằng một thiết bị chuyên dụng mang tên "buồng nén kim cương". 

Cơ cấu này có khả năng tạo ra áp suất vượt ngưỡng 222 gigapascal, tương đương khoảng 24,6 tỷ kg/m vuông. Con số này lớn gấp khoảng 2,2 triệu lần áp suất người bình thường phải chịu khi đặt chân trên mặt đất, và cao hơn gấp 1 triệu lần chiếc lốp ô tô thông thường. 

Mức nén kinh hoàng ấy mô phỏng gần như chính xác điều kiện ngột ngạt ẩn sâu bên trong Sao Thiên Vương cùng Sao Hải Vương, hai hành tinh băng khổng lồ nằm ở rìa ngoài hệ Mặt Trời.

Dưới sức ép khủng khiếp đó, nước không còn duy trì trạng thái lỏng quen thuộc mà chuyển hóa hoàn toàn thành băng. Giới khoa học hiện ghi nhận hơn 20 dạng băng khác nhau và dạng thu hút sự chú ý trong đợt nghiên cứu này mang tên ice-X. 

Ở dạng thức đặc biệt chỉ xuất hiện tại những vùng áp suất vượt ngưỡng Trái Đất này, các nguyên tử hydro nằm trọn ở chính giữa 2 nguyên tử oxy để tạo nên một mạng tinh thể lập phương có tính đối xứng cao.

Theo các quy luật vật lý thông thường, khi vật chất càng chịu nhiều sức ép thì khoảng cách giữa các nguyên tử càng thu hẹp, và mức độ sắp xếp đối xứng càng gia tăng. Băng dường như tuân thủ trọn vẹn quy luật đó cho tới khi chạm ngưỡng ice-X. 

Dù vậy, khi áp lực tiếp tục vượt qua mốc 222 gigapascal, một diễn biến trái ngược hoàn toàn đã xuất hiện. Những phân tích qua tia X cho thấy cấu trúc tinh thể của băng bắt đầu bị kéo giãn, trở nên méo mó và đánh mất hoàn toàn tính đối xứng lập phương vốn có. 

Các tín hiệu nhiễu xạ phân tách rõ rệt trong khi những phép tính toán học chỉ ra 2 dạng sắp xếp nguyên tử khác nhau đều có khả năng lý giải hiện tượng này. Nhóm nghiên cứu nhận định, ice-X đã bước sang một pha vật chất mới, đặc khít hơn nhưng lại kém đối xứng hơn trước.

Bài toán biên độ sai số ở áp suất cực hạn

Chia sẻ về phát hiện kỳ lạ trên, Giáo sư Salamat nhấn mạnh: “Nước ở những điều kiện vượt xa Trái Đất có hành vi phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta từng hình dung. Thật đáng kinh ngạc khi nước có thể thay đổi như vậy dưới áp suất”.

Trên thực tế, hiện tượng thú vị này từng được dự báo từ trước qua các mô phỏng máy tính, nhưng đây là lần đầu tiên giới chuyên môn ghi nhận thành công bằng thực nghiệm trực quan trong phòng thí nghiệm. Dù vậy, các tác giả vẫn duy trì sự cẩn trọng cần thiết khi chỉ gọi kết quả này là bước đầu ghi nhận bằng chứng. 

Tại mức áp suất lớn đến nhường ấy, các tín hiệu tán xạ trở nên vô cùng yếu ớt và dễ dàng bị nhiễu loạn bởi ánh sáng huỳnh quang phát ra từ kim cương, khiến công tác phân định chính xác cấu trúc mới đòi hỏi thêm nhiều công trình nghiên cứu nối tiếp trong tương lai. 

Cũng vì lý do đó, mức áp suất 222 gigapascal chỉ được xem là ngưỡng gần đúng với biên độ sai số rơi vào khoảng 12 gigapascal.

Dẫu hành trình khám phá vẫn còn dang dở, dấu mốc này đã mở ra một khung trời nhận thức hoàn toàn mới mẻ về các hành tinh băng. 

Theo quan điểm của giáo sư Salamat, dù nhân loại chưa thể trực tiếp đặt chân xuyên qua lớp vỏ hay tầng khí quyển dày đặc của những thiên thể ấy, các dữ liệu lịch sử từ chương trình Voyager vẫn cung cấp nguồn thông tin quý giá để suy luận về thành phần hóa học cùng áp suất và nhiệt độ bên trong. 

Nhờ đó, phòng thí nghiệm của ông có cơ hội tái tạo lại một phần bức tranh hóa học để quan sát điều gì đang thực sự diễn ra dưới những tầng mây cuồn cuộn.

Chìa khóa giải mã bí ẩn các hành tinh băng

Sự dịch chuyển trong cấu trúc của nước đồng nghĩa với việc các đặc tính quan trọng khác như khả năng dẫn nhiệt, tác động lên từ trường hay đóng góp vào mật độ chung của cả hành tinh sẽ chịu sự chi phối hoàn toàn mới. 

Đây đều là những mảnh ghép tối quan trọng giúp các nhà thiên văn học giải mã chính xác dữ liệu thu về từ những kính viễn vọng hiện đại và hoàn thiện mô hình hành tinh. 

Thậm chí, các phản ứng hóa học của nước trong không gian sâu thẳm có thể không còn tuân theo những định luật quen thuộc, qua đó mở ra triển vọng tồn tại của những hợp chất đá cùng kim loại hoàn toàn xa lạ với Trái Đất.

Tuy nhiên, giới nghiên cứu cũng lưu ý rằng thí nghiệm hiện tại mới chỉ tái hiện thành công yếu tố áp suất, trong khi biên độ nhiệt độ vẫn chưa thực sự khớp hoàn toàn với thực tế vũ trụ. Sâu thẳm bên trong những hành tinh băng khổng lồ, vật chất tồn tại dưới dạng một hỗn hợp nóng chảy bao gồm nước, amoniac cùng methane với các đặc tính vật lý tiệm cận kim loại. 

Thậm chí, lớp manti của Sao Thiên Vương được giới khoa học dự đoán phải chịu mức áp suất lên tới 700 gigapascal, vượt xa khả năng mô phỏng hiện tại của nhóm nghiên cứu.

Dù vậy, công trình vừa được công bố trên tạp chí Communications Chemistry vào giữa tháng 10 năm nay vẫn thắp lên nhiều kỳ vọng lớn lao. Nghiên cứu được xem là "kim chỉ nam" giúp con người hình dung rõ hơn về những gì đang chờ đợi các cỗ máy thăm dò ở sâu trong Hệ Mặt Trời.