Vàng là một trong những nguyên tố ít phản ứng nhất và có cấu trúc tinh thể ổn định ở áp suất cao
Khi áp suất nghiền cực lớn được áp dụng trong thời gian ngắn, chỉ trong khoảng vài nano giây, cấu trúc nguyên tử của nguyên tố vàng thay đổi, trở nên giống với những kim loại cứng hơn vàng.
Đây là lần đầu tiên trạng thái cấu trúc này được quan sát thấy ở vàng, cho thấy các thuộc tính có thể giúp các nhà khoa học củng cố thêm hiểu biết của họ về cách các nguyên tố phản ứng dưới áp lực.
Vàng là một nguyên tố hấp dẫn đến mê hoặc. Đây là một trong những nguyên tố ít phản ứng nhất và có cấu trúc tinh thể ổn định ở áp suất cực cao.
Sự sắp xếp của các nguyên tử vàng tuân theo cấu trúc "khối lập phương tâm diện" (fcc). Nói một cách đơn giản, các nguyên tử dạng kết nối với nhau dưới dạng khối, với một nguyên tử ở mỗi góc và một nguyên tử khác ở trung tâm của mỗi mặt Vàng, bạch kim, bạc, nhôm và niken đều có cấu trúc tinh thể dưới dạng này.
Các cấu trúc tinh thể vàng
Các thí nghiệm trước đây đã chỉ ra rằng cấu trúc lập phương tâm diện của vàng vẫn ổn định ngay cả ở áp suất cao gấp 3 lần áp suất đo được ở trung tâm Trái đất. Đây là một trong những tính chất làm cho vàng rất hữu ích để thiết lập áp suất tiêu chuẩn trong các thí nghiệm với các tế bào đe kim cương - thiết bị được sử dụng để tạo áp suất cực cao trong phòng thí nghiệm.
Thông thường, áp suất được áp dụng dần dần. Tuy nhiên, dưới sức ép lớn, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã quan sát thấy điều gì đó khác biệt.
Ở mức 223 GPa (gigapascal) - gấp 2,2 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất ở mực nước biển, cấu trúc vàng sắp xếp lại thành một cấu trúc dạng "lập phương tâm khối" (bcc) với các kết nối ít chặt chẽ hơn. Đáng chú ý là hai cấu trúc cùng tồn tại khi kim loại chuyển từ dạng này sang dạng kia.
Cấu trúc lập phương tâm khối là một cấu trúc hình khối với một nguyên tử ở mỗi góc, tuy nhiên, thay vì có các nguyên tử ở tâm mỗi mặt của khối lập phương như lập phương tâm diện, cấu trúc này chỉ có một nguyên tử ở trung tâm của khối. Nhiều kim loại, bao gồm cả những chất mềm hơn vàng như Lithium và Natri, và những chất cứng hơn vàng như Vonfram và Crom, đều có cấu trúc lập phương tâm khối.
Cấu trúc lập phương tâm khối (trái) và cấu trúc lập phương tâm diện (phải)
Mắc dù các nhà vật lý đã quen thuộc với sự thay đổi giữa các cấu trúc lập phương tâm diện và và lập phương tâm khối trong các công việc sản xuất liên quan đến kim loại như sản xuất thép, sự thay đổi cấu trúc này trước đây chưa từng được ghi nhận ở vàng.
"Chúng tôi đã phát hiện ra một cấu trúc mới ở vàng tồn tại dưới các điều kiện khắc nghiệt như khi áp suất cao bằng 2/3 áp suất đo được ở trung tâm Trái đất" - nhà vật lý Richard Briggs thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cho biết - "Cấu trúc mới thực sự có sự kết nối kém hiệu quả khi ở áp suất cao hơn so với cấu trúc ban đầu. Điều này rất đáng ngạc nhiên khi xem xét lại phần lớn các dự đoán lý thuyết trước đây chỉ ra rằng các cấu trúc kết nối chặt chẽ hơn sẽ tồn tại".
Nhóm nghiên cứu đã không dừng lại ở áp suất 223 GPa. Sau thí nghiệm ban đầu, họ đã theo dõi những thay đổi cấu trúc khi tiếp tục tăng áp suất. Tại áp suất 262 GPa, quá trình chuyển đổi cấu trúc đã hoàn tất và vàng bắt đầu tan chảy. Ở áp suất 322 GPa - gần bằng áp suất ở trung tâm Trái đất, vàng đã hoàn toàn lỏng.
Các nhà nghiên cứu cho biết các kết quả nghiên cứu không chỉ là phát hiện mới trong khoa học mà có ý nghĩa rộng hơn đối với lĩnh vực sản xuất. Ví dụ, sắt có cấu trúc lập phương tâm diện hay lập phương tâm khối tùy thuộc vào nhiệt độ của kim loại này, điều đó rất quan trọng đối vớ việci sản xuất thép bởi sắt lập phương tâm diện ở nhiệt độ cao hơn có thể hấp thụ nhiều Carbon hơn so với sắt lập phương tâm khối ở nhiệt độ thấp hơn.
Tuy nhiên, các cơ chế chính xác của quá trình chuyển đổi cấu trúc vẫn chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu chỉ cho thấy vàng trải qua quá trình chuyển đổi cấu trúc khi có sự tác động của cả nhiệt độ và áp suất. Mặc dù vậy, kết quả này vẫn có thể giúp ích trong các thí nghiệm trong tương lai để cố gắng tìm ra cơ chế đó.
Và sự cùng tồn tại của các cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối trong vàng ở áp suất 220 GPa trong điều kiện khắc nghiệt cho thấy rằng tồn tại một thời điểm mà các dạng rắn, lỏng và khí của vàng cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
* Mời quý độc giả theo dõi các chương trình đã phát sóng của Đài Truyền hình Việt Nam trên TV Online!