Một cột mốc lịch sử trong thế giới khoa học vừa được thiết lập khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên thành công tạo ra carbon ở trạng thái lỏng trong phòng thí nghiệm. Thành tựu đột phá này, được thực hiện bởi đội nghiên cứu do Đại học Rostock và Trung tâm Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf của Đức dẫn đầu, không chỉ mở ra những hiểu biết mới về vật chất trong điều kiện cực đoan mà còn hứa hẹn thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch - nguồn năng lượng sạch gần như vô tận mà nhân loại đang khao khát.
Carbon, nguyên tố quen thuộc mà chúng ta gặp hàng ngày dưới dạng than chì trong bút chì hay kim cương lấp lánh, vốn không bao giờ tồn tại ở trạng thái lỏng trên Trái Đất. Để hóa lỏng carbon, cần phải có những điều kiện khắc nghiệt mà tự nhiên không thể tạo ra: nhiệt độ trên 4.500 độ C - nóng hơn gấp đôi dung nham núi lửa - và áp suất cao gấp hàng tỷ lần áp suất khí quyển. Đây chính là lý do tại sao trong suốt lịch sử khoa học, carbon lỏng chỉ tồn tại trong lý thuyết và mô phỏng máy tính.
Hình ảnh minh họa các hình dạng tồn tại của Carbon
Thử thách gần như bất khả thi
Để chinh phục thử thách tưởng chừng bất khả thi này, đội nghiên cứu đã sử dụng một "vũ khí" công nghệ đặc biệt: hệ thống laser DiPOLE 100-X của Anh. Đây là một trong những laser mạnh nhất thế giới, có khả năng phóng ra những xung năng lượng khổng lồ chỉ trong vài phần tỷ giây. Để hình dung sức mạnh này, hãy tưởng tượng toàn bộ năng lượng tiêu thụ của một thành phố lớn trong một giây được tập trung vào một điểm nhỏ bằng đầu kim trong thời gian ngắn hơn một cái chớp mắt.
Quá trình thí nghiệm diễn ra như một vở kịch khoa học đầy kịch tính. Các nhà nghiên cứu đặt những mẫu carbon thủy tinh - một dạng carbon trong suốt giống như thủy tinh - vào đường đi của chùm laser siêu mạnh. Khi những xung laser này bắn trúng mẫu carbon, chúng tạo ra áp suất khủng khiếp lên tới 160 tỷ lần áp suất khí quyển, đồng thời làm nóng vật liệu đến nhiệt độ kinh hoàng. Trong khoảnh khắc ngắn ngủi đó, carbon rắn được ép và nung nóng đến mức biến thành chất lỏng.
Điều đặc biệt là các nhà khoa học đã có thể "nhìn thấy" carbon lỏng bằng tia X quang siêu mạnh từ cơ sở European XFEL ở Đức. Giống như việc chụp X-quang để nhìn thấy xương trong cơ thể, họ đã sử dụng tia X-quang để quan sát cấu trúc bên trong của carbon lỏng, xác nhận những gì mà các nhà lý thuyết đã dự đoán từ nhiều thập kỷ trước.
Hệ thống laser siêu mạnh DiPOLE 100-X của Anh
Giáo sư Dominik Kraus, người điều phối nghiên cứu, không giấu được sự phấn khích khi chia sẻ: " Đây là một cột mốc quan trọng trong khoa học vật liệu. Lần đầu tiên, chúng tôi đã quan sát trực tiếp cấu trúc của carbon lỏng, xác nhận những dự đoán lý thuyết. Đây là một chất lỏng phức tạp đáng kinh ngạc với những tính chất độc đáo có thể cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học ."
Mở đường cho nguồn năng lượng nhiệt hạch của tương lai
Thành công này mang ý nghĩa to lớn đối với nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch - công nghệ mà các nhà khoa học ví như "mặt trời nhân tạo" trên Trái Đất. Nhiệt hạch hoạt động bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro thành nguyên tử helium, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình này. Đây chính là nguồn năng lượng nuôi sống mặt trời và các ngôi sao, hứa hẹn cung cấp năng lượng sạch, an toàn và gần như vô tận cho nhân loại.
Carbon lỏng với điểm nóng chảy cực cao có thể đóng vai trò quan trọng trong các lò phản ứng nhiệt hạch tương lai. Nó có thể hoạt động như một "người điều khiển giao thông" cho các hạt neutron, làm chậm chúng lại để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định. Đồng thời, tính chất nhiệt đặc biệt của carbon lỏng cho thấy nó có thể trở thành chất làm mát hiệu quả - một yếu tố cực kỳ quan trọng để kiểm soát nhiệt độ khủng khiếp trong lò nhiệt hạch.
Trước khi có nghiên cứu này, các nhà khoa học vẫn tranh luận về các tính chất chính xác của carbon ở nhiệt độ cực cao. Giờ đây, với những phép đo chính xác lần đầu tiên, họ có thể loại bỏ những bất định và tập trung nghiên cứu hiệu quả hơn về tiềm năng ứng dụng của carbon trong công nghệ nhiệt hạch.
Việc phát triển năng lượng nhiệt hạch được coi là một trong những con đường hứa hẹn nhất để giải quyết biến đổi khí hậu và đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của nhân loại. Trong khi các tỷ phú như Bill Gates đầu tư hàng tỷ đô la vào việc giải quyết các thách thức toàn cầu, những đột phá khoa học cơ bản như việc tạo ra carbon lỏng có thể cung cấp những giải pháp công nghệ cần thiết cho một tương lai bền vững.
Mở ra cánh cửa nhìn vào vũ trụ xa xôi
Ngoài ý nghĩa công nghệ, carbon lỏng còn mở ra cửa sổ nhìn vào những hiện tượng vũ trụ xa xôi. Điều kiện mà các nhà khoa học tạo ra trong phòng thí nghiệm giống hệt những gì xảy ra trong lõi của các hành tinh băng khổng lồ như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, nơi carbon tự nhiên tồn tại ở trạng thái lỏng. Điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc bên trong và cách thức hoạt động của những thế giới xa xôi này.
Giống như các công nghệ lập bản đồ tiên tiến giúp khám phá những đặc điểm ẩn giấu dưới đáy đại dương trên Trái Đất, thí nghiệm carbon lỏng làm sáng tỏ những khía cạnh trước đây không thể quan sát được của hệ mặt trời chúng ta. Các nhà khoa học giờ đây có thể hiểu rõ hơn về thành phần và hành vi của vật chất trong những điều kiện cực đoan thống trị bên trong các hành tinh.
Thành tựu này còn làm nổi bật tính thích ứng đáng kinh ngạc của carbon như một nguyên tố. Trong khi một số sinh vật dựa trên carbon như một số loại cây có thể phát triển trong ánh sáng tối thiểu mà không cần tưới nước, bản thân carbon lại biến đổi đáng kể trong các điều kiện khác nhau - từ than chì trong bút chì đến kim cương, và giờ đây là trạng thái lỏng mới được quan sát.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature tạo nền tảng cho vô số tiến bộ khoa học và công nghệ. Với các tính chất của carbon lỏng giờ đây đã được quan sát và đo đạc trực tiếp, các nhà nghiên cứu có thể phát triển những mô hình chính xác hơn về hành vi của carbon trong điều kiện cực đoan và thiết kế những thí nghiệm mới để khám phá các ứng dụng tiềm năng.