Các chuyên gia đã chế tạo được sợi băng có đường kính chỉ vài micromet với một độ biến dạng đàn hồi cao và gần như có thể uốn được thành một vòng tròn hoàn chỉnh mà không hề bị gãy. Hầu hết các loại băng đều rất cứng, giòn, dễ vỡ và cực kỳ khó uốn cong. Về mặt lý thuyết, băng có một độ biến dạng đàn hồi tối đa nằm trong khoảng 14% – 16,2%. Nhưng trên thực tế, độ biến dạng đàn hồi lớn nhất mà các nhà khoa học từng đo được còn chưa đến 0,3%. Lý do là vì các tinh thể băng có những khiếm khuyết cấu trúc làm gia tăng độ giòn. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu cách mà họ đã làm ra được sợi băng uốn cong này nhé.
Mục lục
Các chuyên gia tìm kiếm cách chế tạo ra loại băng với ít khuyết điểm
Khám phá ra được hình thái mới của băng
Băng có tính linh hoạt rất kém, chúng rất cứng và giòn và dễ gãy. Đó là lý do tại sao các vụ tuyết lở và băng vỡ xảy ra. Đó cũng là lý do làm cho nghiên cứu mới này thật tuyệt vời. Các nhà khoa học vừa phát triển được các sợi băng nước siêu nhỏ, có thể uốn cong tạo thành vòng tròn – phá vỡ biến dạng cực đại trước đó của băng với cách biệt đáng kể và mở ra cơ hội mới cho việc khám phá vật lý băng.
Nhóm nghiên cứu của Limin Tong tại Đại học Chiết Giang tìm cách tạo ra băng với ít khiếm khuyết cấu trúc nhất có thể để tăng độ đàn hồi. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Science hôm 9/7.
Các bước thực hiện trong công cuộc khám phá này
Đầu tiên, họ dẫn hơi nước vào một buồng nhỏ duy trì ở mức nhiệt -50 độ C. Điện trường trong buồng hút các phân tử nước tới một chiếc kim làm bằng vonfram. Tại đó, chúng kết tinh để tạo nên những vi sợi có đường kính chỉ vài micromet.
Các nhà nghiên cứu khiến băng lạnh thêm bằng cách hạ nhiệt độ xuống trong khoảng từ -70 độ C đến -150 độ C. Tiếp theo, họ đo độ biến dạng đàn hồi của các sợi băng và phát hiện chúng đàn hồi hơn bất cứ cấu trúc băng nào khác từng được đo đạc, một số sợi thậm chí gần như có thể uốn thành vòng tròn. Tất cả chúng sau đó đều trở lại thành sợi thẳng.
Ở nhiệt độ âm 150 độ C, họ phát hiện ra rằng một sợi nhỏ có chiều ngang 4,4 micromet có thể uốn cong thành hình dạng gần như hình tròn, với bán kính 20 micromet. Điều này cho thấy biến dạng đàn hồi tối đa là 10,9% – gần với giới hạn lý thuyết hơn nhiều so với các lần thử trước. Tuyệt vời hơn nữa, khi các nhà nghiên cứu ngừng uốn cong băng, nó sẽ quay trở lại hình dạng trước đó.
Kết quả ngoài sự mong đợi của các nhà khoa học
Mặc dù đối với chúng ta, băng có thể trông giống nhau. Nhưng cấu trúc tinh thể của nó có thể khác nhau một chút. Mỗi cấu hình của phân tử trong tinh thể băng được gọi là một pha (phase). Và có khá nhiều pha này. Sự chuyển đổi giữa các pha có thể xảy ra trong nhiều điều kiện khác nhau liên quan đến áp suất và nhiệt độ.
Khắc phục được các khiếm khuyết của tinh thể băng
“Trước đây, độ biến dạng đàn hồi lớn nhất của băng quan sát được qua thí nghiệm là khoảng 0,3%. Hiện tại, độ biến dạng đàn hồi của các vi sợi băng lên tới 10,9%. Dễ uốn hơn nhiều so với bất cứ loại băng nào từng đo đạc”, Tong cho biết.
Khi Tong cùng đồng nghiệp nghiên cứu kỹ các sợi băng, họ phát hiện dấu hiệu tồn tại của một dạng băng thứ hai đặc hơn dạng băng chiếm phần lớn các sợi. Áp lực lên phần bị uốn cong của sợi có khả năng đã làm biến đổi băng. Nhóm nghiên cứu cho biết, điều này có thể mở đường cho một cách thức mới; để nghiên cứu sự chuyển pha ở băng.
Các vi sợi có độ trong suốt cực cao nên chúng có thể dùng cho việc truyền ánh sáng. Nhưng những yêu cầu về nhiệt độ sẽ gây khó khăn lớn. Vì vậy, công dụng chính của chúng hiện nay là giúp nghiên cứu về vật lý băng ở quy mô nhỏ.
Một cái tên mới dành cho loại băng này – băng dẻo
Với băng dẻo, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận sự chuyển pha như vậy. Từ một dạng băng được gọi là băng Ih. Dạng tinh thể lục giác của băng thông thường được tìm thấy trong tự nhiên. Sang dạng băng hình thoi II, được hình thành bằng cách nén băng Ih. Sự chuyển đổi này xảy ra trong những khúc gấp của vi sợi băng; ở nhiệt độ thấp hơn âm 70 độ C và cũng có thể đảo ngược được.
Băng dẻo này còn trong suốt đến kinh ngạc. Có nghĩa là các sợi băng siêu nhỏ cuối cùng có thể được sử dụng để truyền ánh sáng tương tự như cáp quang. Các nhà khoa học cho biết công nghệ này có thể được tận dụng để tạo ra các cảm biến nhỏ. Và có khả năng phát hiện ô nhiễm không khí.
“Nói tóm lại, băng đàn hồi được chứng minh có thể cung cấp một nền tảng; để khám phá vật lý băng. Và mở ra các cơ hội chưa từng có trước đây cho công nghệ liên quan đến băng trong nhiều lĩnh vực khác nhau”, các nhà nghiên cứu cho biết.