Vàng vẫn còn ở trạng thái rắn, dù bị quá nhiệt

Một mẫu vàng vẫn còn nguyên vẹn ở trạng thái rắn khi được gia nhiệt tới mức nhiệt độ 19.000 độ K (tương đương 18726,85 độ C) trong quãng thời gian một picosecond, tương đươngmột phần triệu của một phần triệu một giây.

Các nhà khoa học cho biết họ đã quá nhiệt cho vàng ở trạng thái rắn, với mức nhiệt cao gấp 14 lần điểm nóng chảy, trong một khoảnh khắc ngắn ngủi thoáng qua trước khi nó tan chảy – một chút lách luật nhiệt động lực học.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã nghĩ rằng không thể cho vàng và các vật liệu rắn khác quá nhiệt ở mức nhiệt lớn gấp ba lần điểm nóng chảy của chúng mà không làm chúng tan chảy. Nếu các vật liệu này vượt quá ngưỡng khi vẫn còn ở trạng thái rắn, kết quả đó có thể là ‘một tai biến entropy’, một tình trạng lý thuyết trong đó pha rắn của một vật liệu sẽ có độ entropy, hay mất trật tự, cao hơn pha lỏng. Điều này có thể vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Nhưng trong bài báo được xuất bản trên Nature, các nhà khoa học miêu tả việc sử dụng một tia laser để gia nhiệt nhanh chóng cho vàng lên tới mức nhiệt gấp 14 lần điểm tan chảy của nó – trên mức giới hạn về mặt lý thuyết – trong vòng một vài phần triệu triệu một giây trước khi nó tan chảy và tiêu tan. Các nguyên tử vàng chạm đến mức nhiệt độ trước khi nó đủ thời gian để trở nên bị biến dạng, vì vậy kết quả không vi phạm bất cứ định luật nào của nhiệt động lực học, theo Tom White, một nhà vật lý ở trường đại học Nevada, Reno, và là đồng tác giả nghiên cứu.

Điều khiển nhiệt độ

Nếu được gia nhiệt rất cẩn thận, các mẫu siêu nguyên chất của một số vật liệu rắn có thể trở nên ‘quá nhiệt’, đạt các mức nhiệt độ nằm ngoài điểm nóng chảy của chúng mà không làm chúng bị nóng chảy. Ví dụ, bạc thông thường sẽ nóng chảy ở mức nhiệt độ là 961,8 ºC, nhưng trong những điều kiện phù hợp, nó cẫn còn ở trạng thái rắn với mức nhiệt lên tới 986 ºC. Hiểu về tình trạng quá nhiệt liên quan đến những chủ đề như nghiên cứu về các thành phần kim loại nóng chảy trong khoa học trái đất.

Vào năm 1988, các nhà vật lý tính toán một giới hạn lý thuyết cho quá nhiệt, trong đó nêu không vật liệu nào có thể được gia nhiệt gấp ba lần mức điểm tan chảy mà còn ở trạng thái rắn. Vượt qua giới hạn đó, chất rắn sẽ ở trạng thái mất trật tự cao hơn chất lỏng. Các nỗ lực quan sát chất rắn quá nhiệt đều không thành do sự phức tạp trong đo lường các mức nhiệt trong thời gian ngắn hơn một nano giây.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện điều này bằng việc gia nhiệt cho một mẫu vàng có độ dày 50 nano mét bằng một tia laser cho đến khi các ion vàng bắt đầu bị lay chuyển bằng động năng. Sau đó họ bắn các photon tia X vào mẫu vàng và đo lường sự chuyển đổi năng lượng khi chúng bật khỏi vật liệu, để suy ra mức nhiệt độ của vàng trong vòng vài ngàn độ C.

Bằng phương pháp đo lường đó, họ đã quan sát laser có thể quá nhiệt cho vàng, với điểm nóng chảy 1,337 độ Kelvin (tương đương 1.064 ºC) đến khoảng 19.000 kelvin trong vài phần triệu triệu một giây.

Những yếu tố không đáng tin cậy

Trong báo cáo bình duyệt, do nhóm tác giả chia sẻ với Nature, mặc dù người ta thừa nhận tầm quan trọng của kỹ thuật này nhưng đặt câu hỏi về việc đánh giá sự đo lường nhiệt độ. Có một điểm khó khăn là việc đo lường này có giới hạn về mặt thống kê. Chỉ có số ít các photon tia X – chỉ khoảng 10 trong số chục tỉ – phản xạ trở lại từ vàng được dò thấy.

Artur Tamm, một nhà vật lý tính toán tại ĐH Tartu ở Estonia, tham gia bình duyệt bài báo, chỉ ra một vấn đề khác: những photon tái phục hồi có thể không mang theo thông tin chính xác về nhiệt độ của mẫu nếu các nguyên tử trong mẫu vàng không có trạng thái cân bằng nhiệt, một trạng thái mà nhiệt độ được cân bằng. Tamm nói thực nghiệm đã cung cấp một dữ liệu có giá trị nhưng ông nghi ngờ về mức nhiệt độ được suy ra. “Chúng ta có thực đã vượt qua mứ nhiệt nóng chảy đến 10–14 lần trước khi mẫu tan chảy không? Tôi không nghĩ như vậy”, ông nói.

Nhóm nghiên cứu biết những giới hạn của kỹ thuật này nhưng lập luận là kết quả thu được thuyết phục về mặt thống kê và vàng đã chạm đến sự cân băng liên quan một cách nhanh chóng. White nói nhóm nghiên cứu của ông đã tìm thấy những tín hiệu ban đầu cho thây bạc cũng có thể vượt qua ngưỡng suy sụp entropy được dự đoán của nó.

Với các tác giả, những người cảm thấy thú vị về việc vàng có thể được gia nhiệt nhanh chóng mà không phá vỡ bất kỳ kỷ lục nào, sự tiến triển này cũng thật ngạc nhiên. Tuy nhiên khi nhìn vào dữ liệu, họ cũng cảm thấy bối rối. White nói: lẽ ra vàng phải nóng chảy chứ? “Tôi chỉ gõ câu hỏi trên Google ‘Nhiệt độ có thể lên đến bao nhiêu trước khi nó bị tan chảy?’”.

Nếu phát hiện này được xác thực hơn nữa thì kết quả nghiên cứu cần được bổ sung và cập nhật.

Bội Linh dịch từ Nature

Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02332-0