Các nhà khoa học tìm ra cách mới biến nước tinh khiết thành kim loại

Bình luận Văn Thiện • 01:29, 01/08/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Nước tinh khiết là một chất cách điện gần như hoàn hảo. Tuy nhiên, nước được tìm thấy trong tự nhiên thường dẫn điện do các tạp chất trong đó hòa tan thành các ion tự do và cho phép dòng điện chạy qua. Nước tinh khiết chỉ trở thành "kim loại" - dẫn điện - ở áp suất cực cao, vượt quá khả năng hiện tại của chúng ta để tạo ra nó trong phòng thí nghiệm...

Nhưng các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã chứng minh được rằng, không chỉ áp suất cao mới có thể tạo ra tính kim loại trong nước tinh khiết.

Bằng cách đưa nước tinh khiết tiếp xúc với một kim loại kiềm - trong trường hợp này là hợp kim của natri và kali - các hạt mang điện chuyển động tự do có thể được thêm vào, biến nước trở thành kim loại.

Tuy kết quả là nước tinh khiết được kim loại hóa chỉ tồn tại trong vài giây, nhưng đó là một bước quan trọng để có thể hiểu được pha này của nước bằng cách nghiên cứu nó trực tiếp.

Nhà vật lý Robert Seidel đến từ Trung tâm Vật liệu và Năng lượng Helmholtz ở Đức cho biết: "Bạn có thể nhìn thấy sự chuyển pha sang nước kim loại bằng mắt thường! Giọt natri-kali màu bạc tự bao phủ với ánh sáng vàng, rất ấn tượng”.

Về mặt lý thuyết thì dưới áp suất đủ cao, bất kỳ vật liệu nào cũng có thể trở nên dẫn điện. Khi các nguyên tử bị ép lại với nhau đủ chặt, các obitan của các electron bên ngoài sẽ bắt đầu chồng lên nhau, cho phép chúng chuyển động xung quanh.

Đối với nước tinh khiết, áp suất này là khoảng 48 megabar - tương đương 48 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất ở mực nước biển. Vì lý do này, các nhà địa vật lý nghi ngờ rằng nước kim loại có thể tồn tại trong lõi của các hành tinh khổng lồ như Sao Mộc , Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, theo Nature News.

Mặc dù áp suất vượt quá mức nêu trên đã được tạo ra trong môi trường phòng thí nghiệm, các thí nghiệm để tạo nước kim loại như vậy vẫn không thích hợp để nghiên cứu.

Jungwirth, một nhà hóa học hữu cơ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc, và các đồng nghiệp của ông tự hỏi liệu họ có thể biến nước thành kim loại thông qua các phương tiện khác nhau mà không cần tạo ra áp suất vô lý được tìm thấy trong lõi của Sao Mộc hay không.

Và họ đã quyết định sử dụng kim loại kiềm. Những chất này giải phóng các điện tử bên ngoài của chúng rất dễ dàng, có nghĩa là chúng có thể tạo ra các đặc tính chia sẻ điện tử tương tự nước tinh khiết tại áp suất cao. Tuy nhiên, có một vấn đề đó là kim loại kiềm phản ứng mạnh với nước lỏng, thậm chí đến mức phát nổ.

Nhóm nghiên cứu đã tìm ra một cách rất thông minh để giải quyết vấn đề này. Điều gì sẽ xảy ra nếu, thay vì thêm kim loại vào nước, chúng ta thêm nước vào kim loại?

Trong một buồng chân không, nhóm nghiên cứu bắt đầu bằng cách đùn ra từ vòi phun một giọt hợp kim natri-kali, là chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Sau đó, họ cẩn thận thêm một màng mỏng nước tinh khiết bằng cách lắng đọng hơi nước. Khi tiếp xúc, các electron và cation kim loại (ion mang điện tích dương) chạy vào nước từ hợp kim.

Trong một thí nghiệm mới, các nhà khoa học cho các giọt kim loại tiếp xúc với hơi nước trong một buồng chân không, và điều này biến nước thành kim loại trong vài giây. (Ảnh: HZB)
Trong một thí nghiệm mới, các nhà khoa học cho các giọt kim loại tiếp xúc với hơi nước trong một buồng chân không, và điều này biến nước thành kim loại trong vài giây. (Ảnh: HZB)

Jungwirth nói với Nature News để thí nghiệm hoạt động, các electron phải di chuyển nhanh hơn mức phản ứng nổ có thể xảy ra. Và khi các electron chuyển từ kim loại kiềm sang nước, một điều khó tin đã xảy ra: Trong một thời gian ngắn, nước chuyển sang màu vàng vàng óng ả. Sử dụng phương pháp quang phổ, nhóm nghiên cứu đã có thể chỉ ra rằng nước màu vàng đó thực chất là kim loại.

Seidel nói: “Nghiên cứu của chúng tôi không chỉ cho thấy rằng nước kim loại thực sự có thể được tạo ra trên Trái đất, mà còn đặc trưng cho các đặc tính quang phổ liên quan đến ánh kim loại vàng tuyệt đẹp của nó”.

Jungwirth nói với Nature News & Comment: "Thật tuyệt vời, giống như [khi] bạn khám phá ra một nguyên tố mới vậy".

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.

Văn Thiện

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Các nhà khoa học tìm ra cách mới biến nước tinh khiết thành kim loại