Nước chuyển thành kim loại màu vàng sáng bóng

Nếu ai đó không thể hô biến nước thành vàng như một nhà giả kim thuật siêu hạng, bước tốt nhất tiếp theo có thể là chuyển nước thành một vật liệu kim loại sáng bóng. Các nhà nghiên cứu đã làm được điều này bằng việc hình thành một lớp nước mỏng quanh kim loại alkali chia sẻ electron.

Nước ở trong một trạng thái kim loại chỉ trong một vài giây nhưng thí nghiệm này không đòi hỏi áp suất cao để đưa các vật liệu phi kim thành kim loại có tính dẫn diện. Đồng tác giả nghiên cứu là Pavel Jungwirth, một nhà hóa lý tại Viện Hàn lâm Khoa học Czech, cho rằng việc nhìn thấy nước thành một khối vàng sáng bóng là một điểm nhấn trong sự nghiệp của mình. Nhóm nghiên cứu của ông đã xuất bản phát hiện trên Nature 1.

Đây là một bước tiến quan trọng”, Peter Edwards, một nhà hóa học tại đại học Oxford, nói. “Ai lại có thể nghĩ nước là kim loại vàng?”

Kim loại không kim loại

Về lý thuyết thì phần lớn vật chất đều có khả năng trở thành kim loại nếu được đặt dưới một áp suất phù hợp. Các nguyên tử hoặc các phân tử có thể bị nén rất chặt đến mức chúng bắt đầu chia sẻ các electron lớp bên ngoài, vốn có thể di chuyển và dẫn điện như chúng ở trong một cục đồng hoặc sắt. Các nhà địa vật lý vẫn cho rằng trung tâm của những hành tinh lớn như Neptune hay Uranus đều chứa nước ở trạng thái kim loại, và dưới áp suất cao thì hydro kim loại thậm chí có thể trở thành siêu dẫn, có khả năng dẫn điện mà không có điện trở.

Chuyển đổi nước thành kim loại theo cách này có thể đòi hỏi một áp suất ở mức 15 triệu atmosphere, vốn nằm ngoài tầm với của các kỹ thuật trong phòng thí nghiệm hiện hành, Jungwirth cho biết. Nhưng ông cũng nghi ngờ là nước có thể trở nên dẫn điện theo một cách khác: bằng việc dễ mất các electron từ kim loại alkali. Các nguyên tố phản ứng lại này trong nhóm 1 của bảng tuần hoàn, vốn bao gồm cả sodium và potassium, có xu hướng lọai bỏ electron ở lớp vỏ ngoài cùng của chúng. Năm ngoái, Jungwirth và đồng nghiệp là Phil Mason — một nhà hóa học được biết đến rộng rãi qua các video về khoa học trên Youtube – dẫn dắt một nhóm nghiên cứu thực hiện một hiệu ứng tương tự trên ammonia. Sự thật là ammonia có thể phát sáng trong nhiều điều kiện như nhà hóa học Humphry Davy đã thực hiện vào đầu thế kỷ 19, Edwards cho biết.

Nhóm nghiên cứu muốn thử một cách tiếp cận khác với nước, thay vì ammonia, nhưng làm điều này phải đối mặt với một thách thức: alkali kim loại có xu hướng tương tác một cách dữ dội khi hòa với nước. Dung dịch này được dùng cho việc thiết kế một thực nghiệm có sự tương tác vô cùng lâu mà không phát nổ. Các nhà nghiên cứu đã đổ đầy một ống nghiệm với sodium và potassium, một hỗn hợp lỏng ở nhiệt độ phòng, đặt nó trong một buồng chân không. Sau đó họ dùng ống nghiệm này để hình thành các giọt hỗn hợp kim loại và phơi lộ chúng vào một lượng nhỏ hơi nước. Nước kết tụ thành từng giọt và hình thành một lớp có độ dày 1/10 micro mét. Các electron từ các giọt này sau đó nhanh chóng hòa lẫn vào nước – cùng với các ion kim loại có điện tích dương  - và trong vòng vài giây, lớp nước chuyển sang màu vàng.

Thời gian là tối thượng

Các thực nghiệm tại một máy gia tốc synchrotron ở Berlin xác nhận là những phản chiếu vàng tạo ra tín hiệu được chờ đợi về hydro kim loại. Điều quan trọng để tránh quá trình này dẫn đến phát nổ, Jungwirth nói, là tìm ra một thời gian cửa số để sự khuếch tán của các electron nhanh hơn tương tác giữa nước và kim loại. “Họ đã chế ngự được quá trình này, đạt được một trạng thái ổn định để tính vật lý của cơ chế hình thành kim loại thắng được cơ chế phân hủy hóa học”, Edwards lưu ý.

“Chúng tôi không chắc chắn là chúng tôi có thể đạt được điều này”, Jungwirth nói. “Thật kỳ diệu, như thể khám phá ra một nguyên tố mới vậy”. 

Jungwirth cho rằng, thực nghiệm này thực sự là một quãng nghỉ sảng khoái khỏi công việc hàng ngày của mình, vốn thường chạy các mô phỏng máy tính trong hóa học hữu cơ, và là một bằng chứng nhắc nhở rằng khoa học có thể có những điều vui thích. “Đó không phải thứ giúp bạn có được nhiều tiền mà là thứ bạn có thể thoải mái làm vào cuối tuần”, ông nói. Đây không phải là lần đầu tiên ông hợp tác với Mason: vào năm 2015, họ và các đồng nghiệp của mình đã tìm ra một cơ chế khiến muối phát nổ khi chạm vào nước  - một thực nghiệm được họ thực hiện ngoài ban công ở viện nghiên cứu của mình, bởi vì họ không thể vào được phòng thí nghiệm.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-021-02065-w

https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-new-way-to-turn-water-metallic