Một đội nghiên cứu quốc tế vừa tìm thấy chín mẫu mới của những các giả tinh thể là do thiên thạch mang đến Trái đất. Khám phá của đội khoa học thách thức kiến thức của chúng ta về tinh thể học lẫn sự hình thành hệ mặt trời.
Những cấu trúc tinh thể thông thường gồm các nguyên tử, hay những đám nguyên tử, lặp lại tuần hoàn. Những hình mẫu này thường bị ràng buộc với đối xứng quay bậc hai, ba, bốn hoặc sáu – những con số tương ứng với có bao nhiêu lần tinh thể đó trông y như cũ trong phép quay hết một vòng 360o. Trong một thời gian dài, đây được xem là những quy tắc bất di bất dịch, và không có tinh thể nào phá vỡ những điều kiện này được cho là tồn tại.
Mảnh giả tinh thể 3D 20 mặt gồm bốn loại đơn vị đa diện. (Ảnh: J E S Socolar, P Steinhardt)
Trật tự, nhưng không tuần hoàn
Tuy nhiên, nhà vật lí người Israel Daniel Shechtman đã tìm thấy một tinh thể phá vỡ quy tắc như thế vào năm 1984 và đã giành Giải Nobel Hóa học năm 2011 cho những nỗ lực của ông. Shechtman đã khám phá ra một giả tinh thể - một tinh thể, trong khi có trật, không chứa những cấu trúc lặp lại tuần hoàn. Tinh thể của Schectman còn có đối xứng quay bậc 10. Thậm chí sau khám phá của ông, đã có rất nhiều ngờ vực về sự tồn tại của một chất liệu như thế. Nhưng khi năm tháng qua đi, những nhà vật lí khác bắt đầu xây dựng những giả tinh thể của riêng họ và nay có hơn 100 loại khác nhau đã được tìm thấy. Tuy nhiên, đây là những giả tinh thể tổng hợp và đã được tạo ra dưới các điều kiện phòng thí nghiệm được điều khiển chính xác. Giống hệt như lúc đầu người ta cho rằng các giả tinh thể không thể tồn tại, nhưng sau khi khám phá ra chúng người ta cho rằng chúng không thể tồn tại tự nhiên trong thế giới bên ngoài.
Giả thuyết đó được đưa vào nghi vấn hồi năm 2009 khi Paul Steinhardt ở trường Đại học Princeton – người lúc đầu đã đặt ra cái tên “giả tinh thể” (quasicrystal) – dường như đã phát hiện ra một biến thể xuất hiện tự nhiên trong một mẫu đá nhặt được ở Nga. Steinhardt và người đồng sự của ông, Luca Bindi, ở trường Đại học Florence, Italy, đã đo tỉ số của các đồng vị oxygen bên trong mẫu và kết quả của họ cho thấy mẫu đá đó thuộc về một họ thiên thạch gọi là chondrite giàu carbon. Không những mẫu đá này có chứa một giả tinh thể xuất hiện tự nhiên, mà nó còn đến từ không gian vũ trụ bên ngoài.
Đào sâu quá khứ
Nhưng sự hoài nghi xuất hiện sau khi các giả tinh thể được tìm thấy vẫn tiếp tục diễn ra. Mẫu đá đó có xuất xứ từ Valery Kryachko, một người Nga hồi năm 1979 đã đi đãi platinum trong một dòng suối chảy qu dãy núi Korryak ở miền viễn đông Siberia. Mẫu đá đó qua nhiều thăng trầm rồi xuất hiện trong bộ sưu tập bảo tàng của Bindi ở Italy. “Người ta nghi ngờ câu chuyện ẩn sau khối đá đó vì con đường nó đi tới Florence có liên quan tới những nhật kí bí mật, những kẻ buôn lậu và các điệp viên KGB.”
“Cách duy nhất để dàn xếp tranh luận là tìm thêm mẫu khác nữa,” Steinhardt giải thích. Ông đã lập một đội gồm 10 nhà khoa học, hai lái xe và một đầu bếp và lên đường thám hiểm 4 ngày xuyên Siberia trở lại dòng suối nơi Kryachko đã tim thấy mẫu đá ban đầu. Khi đến nơi, họ đã đãi 1,5 tấn trầm tích từ bờ suối, cuối cùng tách ra được vài kilogram mang đi phân tích.
Những hoạt động tại dòng suối Listvenitovyi (theo chiều kim đồng hồ): lập bản đồ địa chất, khảo sát các mẫu khoáng chất, trích lấy đất sét từ những khu vực dọc theo bờ suối, và đãi đất sét tách lấy khoáng chất. (Ảnh: P Steinhardt và L Bindi)
Sau sáu tuần cần mẫn phân tích từng hạt một, họ đã thu về cái có phần đặc biệt. “Chúng tôi tìm thấy một hạt có một vết kim loại trên nó. Không những nó thật sự có chứa giả tinh thể, mf tỉ số đồng vị oxygen còn đúng bằng [như mẫu ban đầu],” Steinhardt nói. “Đó là một thời khắc khó quên. Ở ngoài đồng, không ai dám cá có hơn 1% cơ hội tìm kiếm thành công cái gì đó,” ông bổ sung thêm. Đội của ông đã tách được tổng cộng chín mẫu giả tinh thể. Người ta nghĩ những mẫu này đến từ cùng một thiên thạch, và phân tích các lớp trầm tích cho thấy nó đã đến với Trái đất 15.000 năm rồi.
Lịch sử hình thành dữ dội
Vì các giả tinh thể đó có nguồn gốc từ một thiên thạch chondrite giàu carbon, nên chúng phải hình thành trong những ngày rất sớm của hệ mặt trời. Các chondrite giàu carbon được cho là đã va chạm với nhau để tạo ra lõi cảu những hành tinh đá, và vì thế các giả tinh thể của Steinhardt có tuổi lớn hơn tuổi Trái đất. Tuy nhiên, những mô hình hiện nay không thể giải thích sự có mặt của những giả tinh thể này. “Chúng ta cần một loại quá trình địa chất mới lạ để cho chúng hình thành, vì thế nó thách thức các quan điểm của chúng ta về sự hình thành hệ mặt trời,” Steinhardt nói.
Các điều kiện cực độ có mặt thời son trẻ của hệ mặt trời cũng thách thức quan điểm thịnh hành của các giả tinh thể là những vật thể cần một bố trí phòng thí nghiệm được điều khiển cẩn thận để hình thành. “Các giả tinh thể không phải là những chất liệu mong manh như trước đây người ta nghĩ. Những giả tinh thể chúng tôi tìm thấy phải được hình thành dưới những điều kiện dữ dội và khốc liệt trong hệ mặt trời sơ khai,” Steinhardt nói.
Những người khác thì đồng ý rằng thế giới giả tinh thể có thể thay đổi bởi sự tăng 10 bậc này ở số lượng mẫu xuất hiện trong tự nhiên đã biết. “Kết quả này nhấn mạnh các giả tinh thể bình thường như thế nào và hi vọng sẽ khiến chúng bớt lập dị hơn,” phát biểu của Renee Diehl, một nhà nghiên cứu vật lí bề mặt tại trường Đại học Pennsylvania ở Mĩ. “Nó mở rộng tầm mắt của chúng ta trước thực tế là chúng có thể hiện diện xung quanh chúng ta và chúng ta chưa để ý thấy mà thôi,” bà giải thích.
Tham khảo: http://iopscience.iop.org/0034-4885/75/9/092601
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
