Các nhà nghiên cứu người Mỹ gần đây đã xác định được một hiện tượng hấp dẫn dường như cho phép vật liệu thách thức các định luật vật lý. Những hành vi cực kỳ phản trực giác này có thể dẫn đến một cuộc cách mạng nhỏ trong khoa học vật liệu, với những ứng dụng thực tế rất thú vị.
Phần lớn các vật liệu đã biết đều tuân theo một số quy tắc gần như bất biến, được neo giữ trong các định luật nhiệt động lực học. Ví dụ, áp suất buộc các thành phần vật chất lại gần nhau hơn trong một giới hạn nhất định; càng tăng thì thể tích được cho là càng giảm. Ngược lại, nhiệt độ lại có tác dụng ngược lại. Khi nó tăng lên, năng lượng bên trong của các nguyên tử cũng tăng theo, bắt đầu dao động với biên độ ngày càng lớn: do đó, thể tích của vật liệu có xu hướng tăng lên khi bị nung nóng.
Nhưng trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí uy tín Nature, các nhà nghiên cứu từ Đại học Chicago và San Diego đã chứng minh rằng hai quy tắc này rốt cuộc không phải là bất biến. Trên thực tế, chúng thậm chí có thể đảo ngược khi vật liệu ở trạng thái được gọi là "siêu bền".
Để hình dung khái niệm này, bạn có thể tưởng tượng một quả bóng tự lăn xuống một thung lũng theo thời gian: nó dừng chuyển động khi ổn định ở chân dốc và do đó đạt đến trạng thái ổn định.
Nhưng tình huống cũng có thể phức tạp hơn. Ví dụ, hãy tưởng tượng quả bóng của chúng ta được đặt trong một lỗ rỗng ở đỉnh một đỉnh núi. Trong những điều kiện này, nó không thể đạt tới điểm thấp nhất, mức tối thiểu toàn cầu tương ứng với trạng thái ổn định. Thay vào đó, nó thấy mình bị kẹt trong cái gọi là mức tối thiểu cục bộ mà nó chỉ có thể thoát ra khi có sự can thiệp của một lực bên ngoài, chẳng hạn như một người đẩy nó ra khỏi chỗ rỗng mà nó đang kẹt.
Trong nhiệt động lực học, đây được gọi là cân bằng siêu bền. Ví dụ, chính vì hiện tượng này mà nước ở trạng thái siêu lạnh (dưới 0 độ, nhưng vẫn ở dạng lỏng) không tự động đóng băng nếu không bị tác động. Mặt khác, chỉ cần một sự xáo trộn nhỏ nhất, toàn bộ thể tích sẽ nhanh chóng biến thành băng.
Ví dụ, một số vật liệu ở trạng thái bán bền có thể co lại khi được đun nóng và ngược lại, giãn nở dưới áp suất. Các tác giả nói về “khả năng nén âm” và đây là điều chưa từng được quan sát thấy trước đây.
Nhóm nghiên cứu đã trích dẫn một ví dụ đặc biệt liên quan trong lĩnh vực xây dựng. Để xây dựng một công trình, cần phải kiểm tra chặt chẽ tác động giãn nở vì nhiệt của các thành phần cấu tạo; Nếu kết cấu tòa nhà giãn nở hoặc co lại vượt quá ngưỡng quan trọng trong đợt nắng nóng hoặc lạnh, tòa nhà có thể sụp đổ gây ra hậu quả thảm khốc. Nếu có thể thiết kế các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt bằng 0, điều này sẽ ngay lập tức loại bỏ một hạn chế lớn trong kỹ thuật kết cấu.
Một lĩnh vực ứng dụng tiềm năng khác nằm ở xe điện. Trong quá trình sạc và xả, pin có xu hướng mất dung lượng vì các ion lithium dùng để lưu trữ năng lượng dần bị mắc kẹt ở cực dương. Hiện tại, sự biến đổi hóa học này là không thể đảo ngược—nhưng với vật liệu bán bền được hiệu chuẩn hoàn hảo, về mặt lý thuyết, có thể đảo ngược phản ứng để khôi phục pin về trạng thái ban đầu.
Và đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm khổng lồ về những khả năng. Khái niệm này có thể mở đường cho nhiều loại vật liệu mới, mỗi loại lại mang tính cách mạng hơn loại trước... ít nhất là trên lý thuyết. Cần lưu ý rằng nghiên cứu này vẫn còn mang tính khám phá. Hiện tại, không có gì đảm bảo rằng các nhà nghiên cứu sẽ thành công trong việc chế ngự các trạng thái bán ổn định này để đưa ra tất cả các tính chất mong muốn cao này.
Nhưng tiềm năng của lĩnh vực nghiên cứu mới này là rất lớn đến nỗi nhiều chuyên gia chắc chắn sẽ quan tâm đến nó trong tương lai gần. Sẽ rất thú vị khi theo dõi công trình của họ, điều này cuối cùng có thể dẫn đến một cuộc cách mạng lý thuyết nhỏ có tác động rất cụ thể đến nhiều ngành công nghiệp.
Văn bản nghiên cứu có sẵn tại đây.
Phần lớn các vật liệu đã biết đều tuân theo một số quy tắc gần như bất biến, được neo giữ trong các định luật nhiệt động lực học. Ví dụ, áp suất buộc các thành phần vật chất lại gần nhau hơn trong một giới hạn nhất định; càng tăng thì thể tích được cho là càng giảm. Ngược lại, nhiệt độ lại có tác dụng ngược lại. Khi nó tăng lên, năng lượng bên trong của các nguyên tử cũng tăng theo, bắt đầu dao động với biên độ ngày càng lớn: do đó, thể tích của vật liệu có xu hướng tăng lên khi bị nung nóng.
Nhưng trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí uy tín Nature, các nhà nghiên cứu từ Đại học Chicago và San Diego đã chứng minh rằng hai quy tắc này rốt cuộc không phải là bất biến. Trên thực tế, chúng thậm chí có thể đảo ngược khi vật liệu ở trạng thái được gọi là "siêu bền".
Một câu hỏi về năng lượng
Theo thời gian, tất cả các hệ thống vật lý có xu hướng tiến hóa theo hướng cân bằng, tại đó mức năng lượng của chúng sẽ là tối thiểu (xem khái niệm entropie để biết thêm chi tiết): đây được gọi là trạng thái ổn định. Nếu chúng ta biểu diễn năng lượng của hệ thống trên một đường cong, trạng thái ổn định này được biểu diễn bằng điểm thấp nhất — mức tối thiểu toàn cục.Để hình dung khái niệm này, bạn có thể tưởng tượng một quả bóng tự lăn xuống một thung lũng theo thời gian: nó dừng chuyển động khi ổn định ở chân dốc và do đó đạt đến trạng thái ổn định.
Nhưng tình huống cũng có thể phức tạp hơn. Ví dụ, hãy tưởng tượng quả bóng của chúng ta được đặt trong một lỗ rỗng ở đỉnh một đỉnh núi. Trong những điều kiện này, nó không thể đạt tới điểm thấp nhất, mức tối thiểu toàn cầu tương ứng với trạng thái ổn định. Thay vào đó, nó thấy mình bị kẹt trong cái gọi là mức tối thiểu cục bộ mà nó chỉ có thể thoát ra khi có sự can thiệp của một lực bên ngoài, chẳng hạn như một người đẩy nó ra khỏi chỗ rỗng mà nó đang kẹt.
Trong nhiệt động lực học, đây được gọi là cân bằng siêu bền. Ví dụ, chính vì hiện tượng này mà nước ở trạng thái siêu lạnh (dưới 0 độ, nhưng vẫn ở dạng lỏng) không tự động đóng băng nếu không bị tác động. Mặt khác, chỉ cần một sự xáo trộn nhỏ nhất, toàn bộ thể tích sẽ nhanh chóng biến thành băng.
Những hiệu ứng cực kỳ phản trực giác
Quay lại nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra rằng các trạng thái bán ổn định này có thể thay đổi đáng kể hành vi của vật liệu. Ở trạng thái ổn định, chúng tuân thủ hoàn toàn các quy tắc thông thường của nhiệt động lực học. Nhưng trong những điều kiện đặc biệt này, tình hình thay đổi hoàn toàn và các hiện tượng phản trực giác đặc biệt có thể xuất hiện.Ví dụ, một số vật liệu ở trạng thái bán bền có thể co lại khi được đun nóng và ngược lại, giãn nở dưới áp suất. Các tác giả nói về “khả năng nén âm” và đây là điều chưa từng được quan sát thấy trước đây.
Tiềm năng thực tế to lớn
Điều thú vị nhất là công trình này không chỉ có triển vọng trong nghiên cứu cơ bản. Theo các tác giả, có thể điều chỉnh các trạng thái bán ổn định này, ví dụ thông qua các phản ứng oxy hóa khử, để thay đổi cách vật liệu phản ứng với nhiệt và các dạng năng lượng khác. Về mặt lý thuyết, điều này có thể giúp thiết kế các vật liệu có đặc tính cực kỳ hữu ích.Nhóm nghiên cứu đã trích dẫn một ví dụ đặc biệt liên quan trong lĩnh vực xây dựng. Để xây dựng một công trình, cần phải kiểm tra chặt chẽ tác động giãn nở vì nhiệt của các thành phần cấu tạo; Nếu kết cấu tòa nhà giãn nở hoặc co lại vượt quá ngưỡng quan trọng trong đợt nắng nóng hoặc lạnh, tòa nhà có thể sụp đổ gây ra hậu quả thảm khốc. Nếu có thể thiết kế các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt bằng 0, điều này sẽ ngay lập tức loại bỏ một hạn chế lớn trong kỹ thuật kết cấu.
Một lĩnh vực ứng dụng tiềm năng khác nằm ở xe điện. Trong quá trình sạc và xả, pin có xu hướng mất dung lượng vì các ion lithium dùng để lưu trữ năng lượng dần bị mắc kẹt ở cực dương. Hiện tại, sự biến đổi hóa học này là không thể đảo ngược—nhưng với vật liệu bán bền được hiệu chuẩn hoàn hảo, về mặt lý thuyết, có thể đảo ngược phản ứng để khôi phục pin về trạng thái ban đầu.
Và đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm khổng lồ về những khả năng. Khái niệm này có thể mở đường cho nhiều loại vật liệu mới, mỗi loại lại mang tính cách mạng hơn loại trước... ít nhất là trên lý thuyết. Cần lưu ý rằng nghiên cứu này vẫn còn mang tính khám phá. Hiện tại, không có gì đảm bảo rằng các nhà nghiên cứu sẽ thành công trong việc chế ngự các trạng thái bán ổn định này để đưa ra tất cả các tính chất mong muốn cao này.
Nhưng tiềm năng của lĩnh vực nghiên cứu mới này là rất lớn đến nỗi nhiều chuyên gia chắc chắn sẽ quan tâm đến nó trong tương lai gần. Sẽ rất thú vị khi theo dõi công trình của họ, điều này cuối cùng có thể dẫn đến một cuộc cách mạng lý thuyết nhỏ có tác động rất cụ thể đến nhiều ngành công nghiệp.
Văn bản nghiên cứu có sẵn tại đây.