Vì sao đá chảy ra lại trơn tuột? Chuyên gia hé lộ điều kinh ngạc không đơn giản như chúng ta nghĩ

Lớp phủ tan chảy của băng xuất hiện ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn mức đóng băng, một hiện tượng được gọi là tan chảy trước. Lớp đó hoạt động như một chất bôi trơn, giải thích tại sao băng lại trơn trượt ngay cả trong điều kiện lạnh giá. Nhưng kể từ khi ý tưởng về lớp phủ giống chất lỏng lần đầu tiên được nhà khoa học người Anh Michael Faraday nghĩ đến vào những năm 1850, bề mặt khác thường của băng vẫn chưa được hiểu rõ.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử để đo vị trí của các nguyên tử trên bề mặt băng. Ở nhiệt độ khoảng –150° C, bề mặt băng được tạo thànhkhông chỉ từ một loại băng mà là hai loại băng, nhà vật lý Ying Jiang của Đại học Bắc Kinh và các đồng nghiệp báo cáo ngày 22 tháng 5 trêntạp chí Nature. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những khiếm khuyết trong cấu trúc bề mặt có vẻ như là nguyên nhân gây ra hiện tượng tan chảy trước.

Nước đá có nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào sự sắp xếp của các phân tử của nó. Trong điều kiện bình thường, các phân tử nước được sắp xếp thành từng lớp hình lục giác xếp chồng lên nhau. Loại băng hình lục giác này, được gọi là băng Ih, là loại mà Jiang và các đồng nghiệp đã nghiên cứu. Nhưng nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bề mặt băng không hoàn toàn có hình lục giác. Hình ảnh kính hiển vi lực nguyên tử cho thấy bề mặt bao gồm một số vùng băng Ih và các vùng băng Ic khác, trong đó các hình lục giác ở mỗi lớp được dịch chuyển để tạo ra cấu trúc tương tự như sự sắp xếp của các nguyên tử carbon trong kim cương. Nhà hóa học Yuki Nagata thuộc Viện Nghiên cứu Polymer Max Planck ở Mainz, Đức, cho biết:“Rất khó để xác định các phân tử ở đâu, nhưng tôi nghĩ họ đã xác định được rất thành công”.

Tại ranh giới giữa hai loại băng, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy những khiếm khuyết trong cấu trúc của băng, do sự sai lệch của hai dạng băng. Khi các nhà nghiên cứu tăng nhiệt độ lên vài độ, những vùng rối loạn đó sẽ mở rộng. Trong chất lỏng, các nguyên tử và phân tử bị xáo trộn tương tự, và điều tương tự cũng xảy ra với lớp bán lỏng của băng. Nhóm nghiên cứu lập luận rằng sự mở rộng của rối loạn đánh dấu các giai đoạn ban đầu của quá trình tiền tan chảy.

Khi nhiệt độ tăng cao hơn nữa, các cấu trúc ở những ranh giới đó càng khuếch đại sự hỗn loạn hơn nữa. Thông thường, băng được tạo thành từ các lớp nhăn nheo: Một số phân tử nước trong mỗi lớp thấp hơn và một số cao hơn. Nhưng nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những nơi mà các phân tử nước xếp thành một mặt phẳng, một cấu trúc đóng vai trò là “hạt giống” của sự hỗn loạn.

Ở nhiệt độ cao hơn, các mô phỏng máy tính của nhóm nghiên cứu cho thấy, sự hỗn loạn sẽ lan rộng ra và bao phủ toàn bộ bề mặt băng, khiến băng có lớp gỉ hoàn toàn giống như chất lỏng.

Việc tìm ra cấu trúc bề mặt băng đòi hỏi khả năng xác định chính xác vị trí của từng nguyên tử hydro – mỗi nguyên tử thực chất chỉ là một proton. Đó là một nhiệm vụ thường khó khăn với kính hiển vi lực nguyên tử. Kính hiển vi lực nguyên tử thăm dò các vật liệu có đầu mỏng đến mức chỉ có một phân tử hoặc nguyên tử treo ở đầu. Các nhà nghiên cứu đã bổ sung thêm một tinh chỉnh đặc biệt, gắn một phân tử carbon monoxide vào đầu đầu dò. Bằng cách đo lực giữa đầu nhọn đó và bề mặt khi đầu nhọn quét qua băng, đội nghiên cứu có thể suy ra vị trí của các proton.

Nghiên cứu được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ băng trong trải nghiệm hàng ngày. Nhưng vì thí nghiệm phải được thực hiện trong chân không nên việc tăng nhiệt độ quá cao sẽ khiến các phân tử nước thoát ra khỏi băng. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể sử dụng các xung laser ngắn để làm nóng băng trong thời gian ngắn nhằm thu được các phép đo trong điều kiện cân bằng hơn.