Trong một khám phá làm thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về vật lý và khoa học vật liệu, một loại khoáng chất hiếm, được tìm thấy trong một thiên thạch có niên đại hàng thế kỷ và cả trên sao Hỏa, đã khiến các nhà khoa học kinh ngạc với hành vi nhiệt chưa từng có.
Vật liệu lai này, không hoàn toàn là tinh thể cũng không hoàn toàn là thủy tinh, dẫn nhiệt theo một cách hoàn toàn khác biệt: độ dẫn nhiệt của nó vẫn ổn định ngay cả khi nhiệt độ thay đổi, thay vì tăng hoặc giảm như các vật liệu thông thường. Phát hiện này có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho việc thiết kế vật liệu và nhiều ứng dụng công nghệ đột phá.
Trong thế giới vật lý, các vật liệu tinh thể và thủy tinh xử lý nhiệt theo những cách cơ bản khác nhau. Tinh thể, với mạng lưới nguyên tử có trật tự, thường giảm độ dẫn nhiệt khi nhiệt độ tăng.
Ngược lại, thủy tinh, với cấu trúc vô định hình, lại tăng độ dẫn nhiệt khi nóng lên. Sự khác biệt này đóng vai trò quan trọng trong nhiều công nghệ hiện đại, từ việc chế tạo thiết bị điện tử siêu nhỏ đến các tấm chắn nhiệt trong hàng không vũ trụ.
Từ phương trình lượng tử đến khám phá ngoài hành tinh
Nghiên cứu được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, là kết quả hợp tác của một nhóm các nhà khoa học quốc tế. Michele Simoncelli, trợ lý giáo sư tại Đại học Columbia, đã sử dụng các phương trình cơ học lượng tử và áp dụng phương pháp học máy để dự đoán sự tồn tại của một vật liệu có thể kết hợp các đặc tính nhiệt của cả tinh thể và thủy tinh.
Dựa trên phương trình này, ông và các đồng nghiệp đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên tử và độ dẫn nhiệt trong các vật liệu làm từ silica. Họ đã đưa ra một dự đoán táo bạo: một dạng silica cụ thể, được gọi là tridymite, sẽ có độ dẫn nhiệt không đổi theo nhiệt độ.
Điều này đã thúc đẩy một nhóm nghiên cứu thực nghiệm tại Pháp, do Etienne Balan đứng đầu, tiến hành các thí nghiệm trên một mẫu tridymite được lấy từ thiên thạch Steinbach rơi xuống Đức vào năm 1724.
Kết quả thực nghiệm đã xác nhận hoàn toàn dự đoán của Simoncelli. Cấu trúc nguyên tử của tridymite nằm ở ranh giới giữa tinh thể có trật tự và thủy tinh hỗn loạn, và đúng như dự đoán, độ dẫn nhiệt của nó về cơ bản không thay đổi trong dải nhiệt độ rộng.
Ứng dụng tiềm năng và ý nghĩa lịch sử
Phát hiện này không chỉ là một chiến thắng của lý thuyết và thực nghiệm mà còn mở ra những hướng đi mới đầy hứa hẹn. Hành vi truyền nhiệt bất thường này tương tự như hiệu ứng Invar, một hiện tượng về sự giãn nở nhiệt đã mang về giải Nobel Vật lý năm 1920.
Hơn nữa, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng vật liệu này có thể được hình thành trong quá trình lão hóa dài hạn của gạch chịu lửa được sử dụng trong các lò sản xuất thép. Điều này có ý nghĩa to lớn, vì công nghiệp thép là một trong những ngành thải ra lượng carbon lớn nhất thế giới. Việc sử dụng vật liệu có nguồn gốc từ tridymite để quản lý nhiệt độ có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các cơ chế lượng tử chi phối dòng nhiệt trong vật liệu lai này có thể giúp chúng ta hiểu được hành vi của các kích thích khác như electron và magnon, vốn đang định hình các công nghệ mới nổi như thiết bị nhiệt điện, điện toán hình thái thần kinh và các thiết bị spintronic.
Có thể nói, công trình nghiên cứu này, xuất phát từ một mảnh thiên thạch cổ xưa, đã mở ra một kỷ nguyên mới, nơi trí tuệ nhân tạo và vật lý lượng tử hợp lực để thiết kế các vật liệu có khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt, mang lại những giải pháp đột phá cho các thách thức công nghiệp và kỹ thuật của thế kỷ 21.