Kim cương tan chảy ở nhiệt độ nào, câu hỏi hai mươi năm

Hãy tưởng tượng một chiếc cốc. Trong cốc là một thứ chất lỏng đen, bóng như kim loại, và dẫn điện được. Nổi lềnh bềnh trong đó là những mẩu kim cương, bập bềnh y như viên đá trong cốc nước lọc.

Cảnh đó nghe như chuyện bịa, vì kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất Trái Đất. Nhưng đó là hình dung của các nhà khoa học về carbon khi bị ép ở áp suất khoảng 660 tới 1.060 gigapascal, tức là nặng gấp hàng triệu lần sức ép của không khí đang đè lên vai bạn lúc này. Và một câu hỏi tưởng đơn giản về cảnh ấy đã treo suốt hai chục năm.

Câu hỏi là gì

Nói bằng lời thường: kim cương tan chảy ở đúng bao nhiêu độ?

Nước thì dễ. Bạn biết nước đá tan ở 0 độ C vì bạn cắm được cái nhiệt kế vào cốc nước đá. Kim cương thì không ai cắm nhiệt kế vào được, bởi muốn nó chảy thì phải vừa nung cực nóng vừa ép cực mạnh cùng một lúc. Không có cái nồi nào trên đời chịu nổi điều kiện đó, nên cũng không có cái nhiệt kế nào sống sót trong đó.

Còn một vế nữa của câu hỏi, khó nhìn thấy hơn. Trên đường từ rắn sang lỏng, các nguyên tử carbon có dừng lại ở một kiểu sắp xếp rắn khác không? Carbon là chất rất hay đổi kiểu: cùng một loại nguyên tử, xếp kiểu này ra than chì mềm trong ruột bút chì, xếp kiểu kia ra kim cương. Nên câu hỏi là kim cương chảy thẳng ra lỏng, hay ghé qua một dạng rắn trung gian rồi mới chảy.

Vì sao khó

Cái khó đầu tiên là không giữ được mẫu vật. Muốn tạo điều kiện đó, người ta phải bắn một tia laser cực mạnh vào mẫu, tạo ra sóng xung kích (shock wave) quét qua nó. Cả câu chuyện xảy ra trong một khoảnh khắc ngắn hơn cái chớp mắt rất nhiều, rồi mẫu vật tan biến. Bạn không có cơ hội đo lại lần hai trên cùng mẫu đó.

Cái khó thứ hai mới là chỗ làm người ta bế tắc hai mươi năm. Có hai cách trả lời câu hỏi này. Cách thứ nhất là đo trong phòng thí nghiệm. Cách thứ hai là để máy tính tính ra, dựa trên những quy luật đã biết về cách các nguyên tử hút và đẩy nhau. Bình thường hai cách này cho kết quả khớp nhau khá đẹp. Riêng ở nhiệt độ nóng chảy của kim cương thì chúng lệch nhau tới 1.244 độ C, tức khoảng 20 phần trăm.

Bạn thử nghĩ xem 20 phần trăm nghĩa là gì. Giống như hai người cùng cân một bạn nặng 40 ki lô gam, một người đọc ra 40, người kia đọc ra 48, và không ai biết cái cân nào hỏng. Khi hai đáp án chỏi nhau mà không có cách thứ ba để phân xử, bạn không thể chỉ chọn bừa một cái. Có thể phép đo sai. Cũng có thể mô hình trong máy tính thiếu một điều gì đó về carbon mà con người chưa biết. Hai khả năng ấy dẫn tới hai việc phải làm hoàn toàn khác nhau.

Ai đang thử và đã tới đâu

Một nhóm ở Lawrence Livermore National Laboratory, bang California, Mỹ, vừa làm được một phép đo sắc nét hơn hẳn. Kết quả đăng ngày 13/08 trên tạp chí Nature Physics, do Marius Millot cùng các đồng nghiệp thực hiện.

Cách họ làm khá khéo. Không đo được bằng nhiệt kế thì đo bằng ánh sáng. Họ bắn tia laser tử ngoại (ultraviolet laser) vào những tấm kim cương tổng hợp tí hon. Khi sóng xung kích quét qua, tấm kim cương đang trong suốt bỗng chuyển thành sáng bóng như gương. Độ phản xạ tăng vọt như vậy là một dấu hiệu cho thấy nó đã chảy. Ghép dấu hiệu đó với phép đo độ sáng mà mẫu vật phát ra lúc bị bắn, nhóm dựng được bản đồ nhiệt độ nóng chảy.

Theo lời Millot, mẫu vật được nén tới nhiệt độ nóng hơn bề mặt Mặt Trời và áp suất cao hơn tâm Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, vậy mà vẫn đo được cấu trúc nguyên tử, nhiệt độ, mật độ và độ phản xạ.

Con số họ tìm ra: nhiệt độ nóng chảy thấp hơn khoảng 700 độ C so với con số người ta vẫn tin trước đó, và lần này nó khớp với những gì lý thuyết dự đoán. Nói cách khác, phép đo cũ mới là chỗ lệch. Ở đây có một điều đáng nói thẳng: bản tin gốc đưa ra hai con số chênh lệch khác nhau, 700 độ C ở phần kết quả mới và 1.244 độ C ở phần mô tả mâu thuẫn cũ, mà không giải thích hai con số ấy quan hệ với nhau thế nào. Người viết bài này không tự suy ra, nên bạn cứ giữ cả hai trong đầu.

Nhóm còn dùng nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) để nhìn vào cách các nguyên tử xếp hàng, và thấy kim cương chảy thẳng ra lỏng, không ghé qua dạng rắn nào khác. Họ đoán là vì năng lượng cần để sắp xếp lại nguyên tử quá lớn. Chữ "đoán" ở đây là chữ của chính họ, chưa phải kết luận. Họ cũng nêu một giả thuyết chưa kiểm chứng: nếu dội nhiều đợt sóng xung kích liên tiếp thay vì một đợt, có thể chuyển pha kia sẽ xảy ra. Nghĩa là vế thứ hai của câu hỏi vẫn đang mở.

Nếu trả lời trọn vẹn được thì sao

Có hai chỗ chờ câu trả lời này.

Chỗ thứ nhất là nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion), kiểu phản ứng làm các ngôi sao phát sáng và cũng là một nguồn năng lượng người ta đang tìm cách dựng trên Trái Đất. Một số thí nghiệm dùng laser làm chảy và ép một viên nang bằng kim cương, để nhồi nhiên liệu bên trong tới áp suất hơn 30 petapascal và nhiệt độ hơn 100 triệu độ C. Muốn ép chính xác thì phải biết chính xác vỏ kim cương cư xử ra sao.

Chỗ thứ hai ở rất xa. Từ số liệu tàu Voyager 2 gửi về cuối thập niên 1980, giới khoa học cho rằng bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có mưa kim cương từng khối lớn, và lớp phủ của chúng có thể là đại dương carbon lỏng với kim cương trôi nổi như những tảng băng. Chưa ai nhìn thấy đại dương ấy. Người ta chỉ suy ra từ phòng thí nghiệm, nên phép đo trong phòng thí nghiệm càng đúng thì bản suy ra càng đáng tin.

Câu hỏi đang đứng ở đâu hôm nay

Một vế đã bớt mù mờ: nhiệt độ nóng chảy giờ có một con số mà cả phép đo lẫn máy tính cùng đồng ý. Vế còn lại vẫn treo: chưa ai biết dội nhiều đợt sóng xung kích thì carbon có đổi kiểu sắp xếp trước khi chảy hay không. Và đại dương carbon lỏng trong hai hành tinh băng khổng lồ (ice giant) kia vẫn là một hình dung, chưa phải một quan sát.

Bạn thử ở nhà thế này. Thả viên đá vào cốc nước và nhìn nó nổi. Nó nổi vì nước đá nhẹ hơn nước lỏng, chuyện hiếm trong tự nhiên. Carbon lỏng thì ngược lại, nó nặng hơn kim cương, nên kim cương rắn mới nổi được trên chính carbon của mình. Rồi thử nghĩ tiếp: một đại dương vừa đen, vừa dẫn điện, vừa có những tảng kim cương trôi trên mặt thì sẽ trông ra sao?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.