Biến đổi hóa học kì thú và khôn lường của vật chất ở áp suất cao

Viện Nghiên Cứu Cao Cấp (The Institute for Advanced Study) – nơi hội tụ những nhà khoa học lỗi lạc như Albert Einstein và Kurt Gödel, đang tổ chức một loạt các buổi nói chuyện để kỷ niệm ngày sinh của Freeman Dyson – một trong những giảng viên nổi tiếng ở Viện. Ông là người đã có nhiều đóng góp quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và là người đưa ra khái niệm không gian Dyson (Dyson Sphere). Những buổi nói chuyện nhằm tôn vinh ông đề cập đến các ngành nghiên cứu có tầm ảnh hưởng to lớn của ông, và dưới đây chúng tôi sẽ mô tả buổi trò chuyện với nhà hóa học Russel Hemley.

Hình ảnh trừu tượng minh họa không gian Dyson (Dyson Sphere) cùng nhà khoa học Freeman Dyson.

Liti và những kim loại khác cũng trải qua nhiều giai đoạn chuyển tiếp, dần dần chuyển sang một dạng phức tạp với những không gian hở bên trong. Thay vì chuyển động tự do, các electron thường bị mắc kẹt trong các không gian này. Hemley gọi đó là “liên kết electret” (electret bonding), đây là một khái niệm hoàn toàn mới.

Áp suất cao không chỉ làm thay đổi tính chất của nguyên tố mà còn thay đổi khả năng phản ứng của chúng. Hemley nói “ở điều kiện thường Hydro không phản ứng với khí hiếm nào” nhưng ông cho biết hợp chất Xenon-hydro có thể tồn tại ở áp suất cao. Mỗi nguyên tử Xenon được bao quanh bởi tám phân tử Hydro đồng thời chiếm electron từ Hydro.

Ông khẳng định nguyên nhân dẫn đến những thay đổi này chính là từ quỹ đạo của các electron. Chúng ta đều biết rằng tính chất của nguyên tử với dạng hình cầu được xác định bởi các electron ngoài cùng (Hemley mô tả vấn đề  bằng bức ảnh chụp một chồng banh). Nhưng thực tế là môi trường của nguyên tử có thể làm thay đổi quỹ đạo này. Dưới áp suất cao, các quỹ đạo dần dần bị bóp méo và có những biến đổi khác, thậm chí các electron có thể hoàn toàn lệch ra khỏi quỹ đạo.

Nếu chỉ dựa trên những nguyên tắc vật lý thì rất khó dự đoán bản chất của những thay đổi trên, và các mô hình đưa ra thường thất bại khi tiến hành thí nghiệm (Đó là lý do tại sao Hemley khẳng định giữa vật lý và hóa học luôn có một sự cách biệt lớn). Mặc dù chúng ta có nhiều mô hình về những điều kỳ lạ có thể xảy ra ở áp suất cao nhưng không thể chắc chắn mức độ phản ánh thực tế của chúng (điều này đặc biệt đúng với trường hợp của Hydro).

Tại sao lại tồn tại vấn đề này? Rất nhiều thành phần trong thế giới tự nhiên được hình thành ở áp suất cao như: lõi Trái đất, bầu khí quyển của sao Mộc, môi trường của vô số hành tinh ngoài hệ Mặt Trời được biết đến như “siêu Trái đất” (Super Earths) mà chúng ta đang khám phá. Nếu muốn hiểu được môi trường trên các hành tinh này, chúng ta phải biết được vật chất đã tương tác như thế nào dưới điều kiện áp suất khác nhau.

Không bao lâu nữa sẽ có thêm nhiều dữ liệu thực tế mà hiện nay người ta đang tiến hành thu thập. Hemley cho biết tổ chức Sloan (Sloan Foundation) đang tài trợ cho công trình Deep Carbon Observatory để nghiên cứu sự vận động của các hợp chất Cacbon dưới lớp vỏ Trái Đất. Và ông cũng rất hào hứng chờ đợi kết quả từ tàu thăm dò sao Mộc Juno. Một số mô hình nghiên cứu Hydro ở áp suất cao đề xuất rằng giai đoạn biến đổi của nó có thể xảy ra tại áp suất cao tương đương với áp suất khí quyển của sao Mộc, điều này có nghĩa là từ trường của hành tinh bao la này sẽ được tạo ra bên ngoài lõi của nó.

Tàu Juno có thể sẽ xác định được sao Mộc có lõi đá cứng hay không.

Anh Phạ[email protected]
Theo arstechnica.com