Kim loại tan chảy trong bàn tay thách thức hiểu biết khoa học

Từ lâu, gallium đã được xem là một trong những kim loại kỳ lạ nhất. Với nhiệt độ nóng chảy chỉ khoảng 30°C, nó có thể hóa lỏng ngay trong môi trường phòng hoặc khi tiếp xúc với nhiệt cơ thể. Nhờ đặc tính này, gallium được ứng dụng rộng rãi trong ngành bán dẫn, đèn LED và pin mặt trời. 

Tuy nhiên, hành vi của nó ở trạng thái lỏng vẫn là một ẩn số kéo dài suốt nhiều thập kỷ.

Nghiên cứu mới từ University of Auckland (New Zealand) đã làm thay đổi căn bản cách hiểu về kim loại này. Thông qua mô phỏng nguyên tử quy mô lớn, các nhà khoa học phát hiện rằng giả định tồn tại hơn 30 năm qua về cấu trúc của gallium lỏng là không chính xác.

Ở trạng thái rắn, gallium có cấu trúc đặc biệt: các nguyên tử liên kết thành từng cặp bằng liên kết cộng hóa trị, một kiểu liên kết thường thấy ở phi kim hơn là kim loại. Điều này khiến nó có mật độ thấp hơn khi ở dạng rắn so với dạng lỏng, một đặc điểm hiếm gặp.

Trước đây, giới khoa học cho rằng những liên kết này vẫn tồn tại sau khi kim loại tan chảy. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy chúng biến mất ngay tại điểm nóng chảy, rồi bất ngờ xuất hiện trở lại khi nhiệt độ tiếp tục tăng.

Phát hiện này giúp giải thích một nghịch lý lâu nay. Khi gallium chuyển sang trạng thái lỏng, khả năng dẫn điện của nó tăng lên. Nhưng khi nhiệt độ tiếp tục tăng, điện trở lại biến đổi theo cách phi tuyến. 

Theo nhóm nghiên cứu, sự thay đổi này liên quan trực tiếp đến việc các liên kết nguyên tử "biến mất rồi tái xuất hiện" theo nhiệt độ.

Theo nhà nghiên cứu Nicola Gaston, giả định cũ về cấu trúc gallium lỏng đã chi phối nghiên cứu trong suốt ba thập kỷ, và nay cần được xem xét lại.

Không dừng lại ở đó, nghiên cứu tiếp theo còn phát hiện một điều bất ngờ hơn: bề mặt gallium lỏng không hoàn toàn hỗn loạn như định nghĩa truyền thống về chất lỏng.

Bằng cách kết hợp học máy và mô phỏng vật lý, các nhà khoa học nhận thấy ở lớp bề mặt, các nguyên tử vẫn sắp xếp thành những cấu trúc có trật tự nhất định. Các mô hình này tồn tại trong khoảng vài lớp nguyên tử trước khi chuyển sang trạng thái lỏng hoàn toàn.

Đặc biệt, một lớp oxit mỏng trên bề mặt giúp củng cố cấu trúc này, trong khi chỉ cần thêm một nguyên tử kim loại khác như bismuth cũng có thể phá vỡ toàn bộ trật tự. Điều này cho thấy bề mặt của kim loại lỏng nhạy cảm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.