Phát hiện trạng thái “ẩn” trong kim loại lỏng thách thức hiểu biết truyền thống
Các nhà khoa học vừa phát hiện một hiện tượng bất ngờ trong kim loại lỏng: ngay cả khi vật liệu đã nóng chảy hoàn toàn, một số nguyên tử vẫn có thể đứng yên thay vì chuyển động hỗn loạn như lý thuyết lâu nay mô tả. Những nguyên tử “bất động” này không chỉ ảnh hưởng đến quá trình đông đặc mà còn tạo ra một trạng thái vật chất mới được gọi là “chất lỏng siêu nguội bị bao vây”.
Nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Nottingham (Anh) và Đại học Ulm (Đức) thực hiện, công bố trên tạp chí ACS Nano. Nhóm đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua để quan sát trực tiếp các giọt kim loại nano – gồm bạch kim, vàng và palladium – khi chúng nóng chảy và nguội dần trên lớp graphene mỏng một nguyên tử.
Thông thường, trong trạng thái lỏng, các nguyên tử chuyển động hỗn loạn và liên tục va chạm, giống như đám đông chen chúc trong không gian hẹp. Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy một số nguyên tử không hề di chuyển dù nhiệt độ rất cao. Phân tích cho thấy chúng bị “ghim” chặt vào các điểm khuyết tật trên bề mặt graphene và duy trì trạng thái cố định này trong suốt quá trình nung nóng.
Hình minh họa: scitechdaily.com
Bằng cách điều chỉnh chùm tia điện tử, các nhà khoa học có thể tạo thêm khuyết tật trên graphene, qua đó kiểm soát số lượng nguyên tử bị giữ lại. Khi chỉ có vài nguyên tử bị ghim, kim loại vẫn đông đặc theo cách thông thường, hình thành tinh thể có trật tự. Nhưng khi nhiều nguyên tử bị cố định, quá trình kết tinh bị cản trở hoàn toàn.
Đáng chú ý, nếu các nguyên tử bất động sắp xếp thành một “vòng rào” bao quanh phần kim loại lỏng, chúng có thể giữ chất lỏng ở trạng thái siêu nguội, thấp hơn điểm đông đặc thông thường tới hơn 1.000 độ C. Với bạch kim, kim loại vẫn duy trì dạng lỏng ở khoảng 350°C – thấp hơn rất nhiều so với mức dự kiến.
Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, khối chất lỏng bị bao vây này không kết tinh mà chuyển thành kim loại vô định hình – không có cấu trúc nguyên tử trật tự. Trạng thái này rất kém bền và chỉ tồn tại nhờ sự “ghim giữ” của các nguyên tử đứng yên; nếu vòng bao bị phá vỡ, kim loại sẽ nhanh chóng trở lại cấu trúc tinh thể bình thường.
Phát hiện này có ý nghĩa lớn đối với khoa học vật liệu và công nghệ xúc tác. Bạch kim trên nền carbon là một trong những hệ xúc tác quan trọng nhất hiện nay. Việc phát hiện trạng thái lỏng bị giới hạn với hành vi pha khác thường có thể giúp thiết kế các chất xúc tác hiệu quả và bền hơn, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng kim loại quý trong công nghệ năng lượng sạch.
Theo nhóm nghiên cứu, đây là lần đầu tiên các nguyên tử được “bao vây” ở cấp độ nano, mở ra khả năng hình thành dạng vật chất mới kết hợp đặc tính của cả rắn và lỏng trong cùng một hệ vật liệu.
nttvy (https://scitechdaily.com/)