Nước trong tự nhiên thường dẫn điện do các tạp chất trong đó hòa tan thành các ion tự do cho phép dòng điện chạy qua. Nhưng nước tinh khiết là một chất cách điện gần như hoàn hảo. Loại nước này chỉ trở thành "kim loại" - chất dẫn điện - ở áp suất cực cao, vượt quá khả năng của các phòng thí nghiệm hiện nay.
Nhưng, như các nhà nghiên cứu đã chứng minh lần đầu tiên vào năm 2021, không chỉ áp suất cao mới có thể tạo ra khả năng dẫn điện cho nước tinh khiết.
Bằng cách tiếp xúc với kim loại kiềm - trong trường hợp này là hợp kim của natri và kali, nước có thể nhận thêm các hạt mang điện chuyển động tự do và trở thành kim loại.
Tuy nước kim loại hóa trong kết quả chỉ dẫn điện trong vài giây, nhưng nghiên cứu là một bước quan trọng để có thể hiểu một cách trực tiếp về pha này của nước.
"Bạn có thể nhìn thấy sự chuyển pha sang nước kim loại bằng mắt thường!", nhà vật lý Robert Seidel từ Trung tâm Vật liệu và Năng lượng Helmholtz ở Đức giải thích khi bài báo được xuất bản vào năm ngoái.
Ông nói thêm: "Giọt natri-kali màu bạc tự phủ lên mình một ánh vàng rất ấn tượng”.
Dưới áp suất đủ cao, về mặt lý thuyết, bất kỳ vật liệu nào cũng có thể trở nên dẫn điện.
Ý tưởng là nếu bạn nén các nguyên tử sao cho chúng đủ gần để các đám mây điện tử ở lớp bên ngoài sẽ bắt đầu chồng lên nhau, thì điều này sẽ cho phép các điện tử chuyển động xung quanh. Đối với nước, áp suất này là khoảng 48 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất.
Tuy áp suất vượt quá mức này đã được tạo ra trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng các thí nghiệm như vậy sẽ không thích hợp để nghiên cứu nước kim loại. Vì vậy, một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà hóa học hữu cơ Pavel Jungwirth thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc ở Czechia dẫn đầu đã chuyển sang nghiên cứu kim loại kiềm.
Những chất này giải phóng các điện tử bên ngoài của chúng rất dễ dàng, có nghĩa là chúng có thể tạo ra các đặc tính chia sẻ điện tử của nước tinh khiết có áp suất cao trong điều kiện thông thường.
Nhưng ở đây có một vấn đề: các kim loại kiềm rất phản ứng rất mạnh với nước lỏng, thậm chí còn phát nổ.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một cách rất tiện lợi để giải quyết vấn đề này. Điều gì sẽ xảy ra nếu, thay vì cho kim loại vào nước, chúng ta làm ngược lại?
Trong một buồng chân không, nhóm nghiên cứu bắt đầu đùn từ vòi phun một giọt nhỏ ở nhiệt độ phòng hợp kim natri-kali. Sau đó, họ cẩn thận thêm vào một màng mỏng nước tinh khiết bằng cách lắng đọng hơi nước.
Khi các chất tiếp xúc với nhau, các điện tử và ion điện tích dương của hợp kim chảy vào nước.
Điều này không những làm cho nước có màu vàng óng ánh, mà còn làm cho nó trở nên dẫn điện - giống như nước tinh khiết được biến thành kim loại ở áp suất cao.
Nghiên cứu ngoài việc giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình chuyển pha này trên Trái đất, nó cũng có thể cho phép tìm hiểu về các điều kiện áp suất cực cao bên trong các hành tinh lớn, chẳng hạn như sao Mộc, hành tinh được cho là có áp suất đủ cao để kim loại hóa nước tinh khiết.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Văn Thiện
