Phát hiện trạng thái vật chất mới: thuỷ tinh lỏng

Từ trước đến nay, người ta vẫn nhầm lẫn rằng thủy tinh là một chất lỏng. Nhưng điều đó không thực sự chính xác - về cơ bản, thủy tinh là một chất rắn vô định hình. Thông thường, khi một vật chất chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn, các nguyên tử trôi tự do trước đó sẽ xếp “ngay hàng thẳng lối” vào một cấu trúc tinh thể chật chội. Tuy nhiên, điều đó không xảy ra với thủy tinh: các nguyên tử của nó “đông cứng” ở trạng thái hỗn loạn.

Hay ít nhất thì đó là tình trạng thường xuyên diễn ra. Trong một nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một dạng thủy tinh nơi các nguyên tử thể hiện một hành vi khá phức tạp, chưa bao giờ được thấy trong thủy tinh khối trước đây. Các nguyên tử này có thể di chuyển được, nhưng lại không thể xoay.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra điều này trong một hệ thống mẫu của các chất huyền phù dạng keo. Hỗn hợp này được tạo thành từ các hạt rắn cỡ lớn trôi lơ lửng trong một chất lỏng, tạo điều kiện dễ dàng cho các nhà khoa học quan sát được hành vi vật lý của các nguyên tử hay phân tử. Thông thường, những hạt này có dạng khối cầu, nhưng trong thử nghiệm này, nhóm đã sử dụng các hạt hình elip để có thể biết được chúng đang chỉ về hướng nào.

Các nhà nghiên cứu đã thử nhiều dạng cô đặc của các hạt trong chất lỏng, theo dõi cách chúng di chuyển và xoay. Cuối cùng, họ phát hiện ra rằng ở mức cô đặc cao, các hạt sẽ ngăn cản sự xoay của nhau, nhưng chúng vẫn di chuyển được, tạo nên một trạng thái gọi là thủy tinh lỏng.

“Ở các mức mật độ hạt nhất định, chuyển động định hướng bị ngừng lại, trong khi chuyển động tịnh tiến tiếp diễn, dẫn đến các trạng thái thủy tinh trong đó các hạt tập trung thành chùm để tạo nên những cấu trúc cục bộ với hướng tương tự nhau” - theo lời tác giả trưởng của nghiên cứu, Andreas Zumbusch.

Nhóm nghiên cứu cho biết hành vi họ quan sát được xuất phát từ việc hai kiểu chuyển động của thủy tinh tương tác với nhau. Thủy tinh lỏng là thứ đã được dự báo từ hàng thập kỷ qua, và kết quả mới cho thấy những quy trình tương tự cũng có thể đóng vai trò trong các hệ thống cấu thành từ thủy tinh khác.

“Đây là một điều đặc biệt thú vị từ góc độ lý thuyết” - theo lời Matthias Fuchs, tác giả nghiên cứu. “Các thử nghiệm của chúng tôi đã mang lại bằng chứng về tác động lẫn nhau giữa những biến động đáng kể và sự ngừng chuyển động của thủy tinh mà cộng đồng khoa học đã tìm kiếm từ lâu”.