Phát hiện sự tồn tại cấu trúc tinh thể mới của băng chưa từng được biết

Chúng ta đã biết 18 trong số các giai đoạn riêng biệt của băng, một số xuất hiện tự nhiên, một số chỉ thấy trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Để tìm hiểu rõ hơn, ba năm trước một nhóm các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa một trong những cấu trúc băng hiện có, biến nó thành một dạng mà họ gọi là băng β-XV.

Mới đây, các thành viên của nhóm nghiên cứu mới tuyên bố đã xác định được cấu trúc tinh thể chính xác của nó, trả lời các câu hỏi về cách hình thành và đặt tên là băng XIX.

Khám phá này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách thức băng hình thành và hoạt động trong các điều kiện rất khác so với những điều kiện được tìm thấy trên Trái đất.

Băng mà bạn nhìn thấy trong tủ đông, hoặc rơi từ trên trời xuống dưới dạng bông tuyết hoặc mưa đá là loại băng tự nhiên phổ biến nhất trên Trái đất. Đây được gọi là băng I, và các nguyên tử ôxy của nó được sắp xếp trong một mạng lưới hình lục giác. Tuy nhiên, cấu trúc khác về mặt hình học, với các nguyên tử hydro bị rối loạn hơn nhiều.

Khi nước đá I được làm lạnh theo một cách nhất định, các nguyên tử hydro có thể được sắp xếp theo chu kỳ, ngoài các nguyên tử ôxy. Đây là cách các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các kiểu khác nhau của băng có mạng tinh thể phân tử có trật tự hơn nhiều so với dạng mẹ bị rối loạn của chúng.

Một nhóm các nhà hóa học vật lý tại Đại học Innsbruck ở Áo đã nghiên cứu băng VI được một thời gian. Đây là một trong những dạng băng có thể được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng chỉ chịu áp suất rất cao, gấp 10.000 lần so với áp suất khí quyển ở mực nước biển (khoảng 1 gigapascal), chẳng hạn như băng được tìm thấy trong lớp phủ của Trái đất, hoặc được bao bọc xung quanh lõi của Mặt trăng Titan của sao Thổ.

Sắp xếp theo thứ tự hydro, băng XV chỉ được phát hiện cách đây khoảng một thập kỷ. Nó được tạo ra bằng cách làm lạnh băng xuống dưới 130 Kelvin (-143 độ C, -226 độ F) ở áp suất khoảng 1 gigapascal.

Một vài năm trước, bằng cách thay đổi quá trình này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại băng khác. Họ làm chậm quá trình làm mát và hạ nhiệt độ xuống dưới 103 Kelvin, đồng thời tăng áp suất lên 2 gigapascal. Điều này tạo ra một sự sắp xếp thứ hai của các phân tử hydro khác biệt với băng XV, là thứ mà họ đặt tên là băng β-XV.

Để tìm ra thứ tự của các nguyên tử trong mạng tinh thể, các nhà khoa học cần phải phân tán neutron từ các hạt nhân, vì vậy các nguyên tử hydro bình thường sẽ không cắt nó.

"Thật không may, điều này cũng làm thay đổi quy mô thời gian trong quá trình sản xuất băng", nhà hóa học vật lý Thomas Loerting của Đại học Innsbruck cho biết.

Nhưng nghiên cứu sinh tiến sĩ Tobias Gasser sau đó đã có ý tưởng quan trọng hơn đó là thêm một vài phần trăm nước bình thường vào nước nặng. Điều này hóa ra lại giúp tăng tốc độ rất nhiều.

Cụ thể, nó cho phép nhóm nghiên cứu thu được dữ liệu neutron mà họ cần để ghép cấu trúc tinh thể lại với nhau. Nó khác với băng XV, trở thành một vị trí chính thức như là giai đoạn thứ mười chín được biết đến, băng XIX.

"Điều này cũng có nghĩa là lần đầu tiên có thể nhận ra sự chuyển đổi giữa hai dạng băng có trật tự trong các thí nghiệm", Loerting nói.