Các chuỗi nguyên tử chuyển động với tốc độ tia chớp trong các kim loại

“Hiện tượng mà chúng tôi mới phát hiện đã thay đổi cách mà chúng tôi nghĩ về vận chuyển khối lượng bên trong các kim loại. Nó giải thích các đặc tính của các loại kim loại mà chúng ta vẫn có nhưng đến tận bây giờ cẫn còn chưa hiểu rõ lắm về chúng. Vẫn còn quá sớm để nói điều này nghĩa là gì theo các thuật ngữ phù hợp nhưng chúng ta biết nhiều hơn về chức năng của các kim loại trong những điều kiện khác nhau, những khả năng tốt hơn mà chúng ta có thể phát triển các loại vật liệu với những tính năng mới hoặc những tính năng được cải thiện”, theo nhận định của Davide Sangiovanni, nhà nghiên cứu tại bộ phận Vật lý lý thuyết ở trường đại học Linköping và là tác giả chính của bài báo mới xuất bản trên Physical Review Letters “Diffusion in an Elemental Crystal: bcc Titanium”.

Cấu trúc tinh thể

 Nhà nghiên cứu Davide Sangiovanni

Trong các vật liệu rắn như kim loại, các nguyên tử được sắp xếp trong một cấu trúc tinh thể hết sức tiện lợi, tại các khoảng cách xác định với nhau. Sự khuếch tán điển hình xảy ra như những bước nhảy hiếm của các nguyên tử bị cách ly vào trong các chân không (các khuyết tật tinh thể). Tuy vậy trong một số kim loại - như các chất dẫn ion nhanh tại những mức nhiệt độ được nâng cao (hoặc nước (băng siêu ion) và sắt tại các áp suất cực lớn được tìm thấy trong các lõi hành tinh – các chuỗi dài nguyên tử/ion có thể đột nhiên chuyển động với tốc độ nhanh đáng ngạc nhiên như một thực thể. Quá trình này xảy ra vào các mức thời gian picoseconds hay nanoseconds, và không ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể này. Hiện tượng này thi thoảng được gọi là “khuếch tán có phối hợp”, “khuếch tán siêu ion” hay  “khuếch tán như chất lỏng” và từng được miêu tả trong nhiều bài báo lý thuyết.

Phát hiện thú vị bậc nhất mà Davide Sangiovanni tạo ra cùng với các đồng nghiệp tại trường Linköping và ở các trường đại học Nga, Đức chính là khuếch tán tương tự có thể diễn ra tại pha bậc ba của titanium nguyên chất, tại áp suất khí quyển thông thường và tại một mức nhiệt độ thấp hơn điểm nong chảy.

Khuếch tán có phối hợp

Titanium, zirconium và hafnium, những kim loại cùng trong nhóm IVB của bảng tuần hoàn, vốn có nhiều đặc tính mang nét đặc trưng mà các nhà nghiên cứu chưa đủ khả năng giải thích, ngay cả thời điểm hiện tại.

“Trong bài báo này, chúng tôi đã cho thấy các đặc tính bất thường của kim loại nhóm IVB trong cấu trúc bậc ba sinh ra từ khuếch tán phối hợp, bên trong các chuỗi nguyên tử luồn qua tinh thể rắn”, Davide Sangiovanni nói.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-10-chains-atoms-lightning-metals.html