Plastic trở thành nhiên liệu trong tương la
CÁC TINH THỂ KÍCH THƯỚC NHỎ NANO CÓ KHẢ NĂNG NÓNG HƠN
CÓ KHẢ NĂNG NÓNG HƠN
Các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley về năng lượng đã khám phá ra rằng các tinh thể kích thước nhỏ nano của germanium, được cố định trên thủy tinh silica, đã không tan chảy cho đến khi nhiệt độ tăng lên gần 2000K, trên cả nhiệt độ nóng chảy của khối germanium. Hơn cả sự ngạc nhiên, các tinh thể kích thước nano này tan chảy ở thể lỏng và được làm nguội ở nhiệt độ hơn 2000K, nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của khối germamium trước khi các tinh thể nano đóng rắn. Giống một “hiện tượng trễ” lan rộng và gần như đối xứng – sự khác nhau giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc ở trên và dưới điểm nóng chảy của khối germanium – trước đây các quan sát đối với những hạt phân tử kích thước nhỏ nano này chưa bao giờ được thực hiện. Để khai thác những tính chất trên có nghĩa là hiểu được sự chuyển tiếp nóng chảy/đông đặc của germanium dưới các điều kiện khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã cố định các hạt phân tử nano với đường kính trung bình 2.5 so với đường kính của silica. Những gì mà các nhà nghiên cứu bắt gặp khi họ gia nhiệt và làm nguội hệ thống phân tử liên kết này là điều phức tạp không ngờ.
Gần hàng trăm năm qua, những nhà lý luận và những người làm thí nghiệm đã nghiên cứu làm thế nào mà kích cỡ của một tinh thể ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy và đông đặc, đến việc chuyển tiếp giữa thể lỏng và thể rắn của một chất. Hầu hết các tinh thể, kích thước càng nhỏ, nhiệt độ nóng chảy càng thấp. Nhiệt độ nóng chảy của một tinh thể nano bán dẫn hoặc không chứa tinh thể lỏng, tiêu biểu gồm có vài trăm cho đến vài ngàn phân tử, có thể hơn 3000K, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của một khối chất tương tự.
Joe Ager, ngành vật liệu học (MSD), đồng tác giả của tờ Physical Review Letters, nói rằng:”Lý do của sự việc này là vật thể rắn càng nhỏ, tỷ lệ phần trăm phân tử của nó tập trung trên bề mặt càng nhiều. Thực tế, nếu vật thể co lại, thì toàn bộ bề mặt đều co lại”. Bên trong một tinh thể chất rắn, các phân tử bị nhốt trong mắt lưới của mạng tinh thể, “nhưng ở bề mặt của những phân tử này vẫn có khoảng trống để di chuyển. Khi nhiệt độ tăng lên, chúng bắt đầu chuyển động; khi sự rung động trên bề mặt phân tử tỷ lệ với chiều dài mối liên kết nhất định giữa chúng, sự nóng chảy bắt đầu xảy ra và sau đó lan truyền qua vật chất rắn.
Nhà lý luận Daryl Chrzan, ngành MSD, cũng là 1 giáo sư về khoa học vật liệu ở Đại Học UC Berkeley đã nói: “Nóng chảy và đóng rắn bắt đầu ở bề mặt phân chia chất rắn với bề mặt xung quanh chất rắn. Pha rắn có một năng lượng tự do, chất lỏng cũng vậy, pha hơi cũng tương tự, và trên bề mặt phân chia giữa các pha này có năng lượng mang tính chất riêng của chúng. Có khả năng sự chuyển tiếp pha xảy ra theo một hướng hoặc theo hướng khác dựa trên năng lượng tự do của pha vật liệu đó và năng lượng trên bề mặt phân chia pha của chúng, liên quan đến thể tích, cấu tạo hình học, tỷ trọng và các nhân tố khác”.
Ở hầu hết các vật liệu, năng lượng ở bề mặt phân chia pha giữa chất rắn và hơi hình thành một lớp chất lỏng trên bề mặt khi nhiệt độ tăng cao – ví dụ, một thỏi vàng đặt trong không khí, nhiệt độ này nếu tiếp tục tăng cao cho đến khi toàn bộ thỏi vàng nóng chảy; thì lớp chất lỏng mới xuất hiện trên thỏi vàng sẽ cứng hơn ở nhiệt độ thấp hơn do tỷ lệ thể tích bề mặt tăng. Eugene Haller ở phòng thí nghiệm Berkeley về vật liệu học (MSD), cũng là giáo sư về vật liệu học ở Đại Học California ở Berkeley ghi nhận rằng
“nếu làm các hạt tinh thể vàng kích thước nhỏ nano tự do đủ nhỏ, chúng sẽ tan chảy ở nhiệt độ phòng”.
Tuy nhiên, những tinh thể nano đã được cố định này thường phản ứng khác nhau. Người ta quan sát các tinh thể nano kết gắn với nhau trong ma trận lưới tinh thể ở nhiệt độ khá cao, ví dụ những tinh thể nano của chì gắn vào mạng lưới tinh thể của nhôm aluminum; kết cấu mạng lưới của hai loại tinh thể này “đóng chặt” với nhau, nén các tinh thể nano trong thủy tinh phải nóng chảy khi bị gia nhiệt cao.
Đó chỉ là sự nhạc nhiên ban đầu. Trong khối vật liệu lớn, năng lượng ở bề mặt phân chia pha giữa chất rắn và hơi, có sự chuyển tiếp giữa chất rắn thành chất lỏng ở nhiệt độ nóng chảy, tạo ra một rào chắn ở hướng đối ngược nhau, đây là một rào cản năng lượng để đóng rắn.
Chrzan nói: “để hình thành bề mặt thì luôn luôn phải cần một năng lượng, thật ra, trong một khối vật liệu, có thể làm khối vật liệu đóng rắn chậm hay giữ khối ở dạng rắn ở nhiệt độ trên điểm nóng chảy/đóng rắn bình thường. Để đóng rắn, vật liệu phải khắc phục rào cản năng lượng nhẹ để hình thành các hạt nhân phân tử rắn tới hạn.
Trong trường hợp tinh thể nano cố định trên germanium ở thủy tinh, rào cản năng lượng ở bề mặt phân chia pha cũng dẫn đến sự gia nhiệt cao trước khi tinh thể rắn có thể tan chảy có nghĩa là khi tan chảy bao gồm phải trải qua quá trình chậm đông trước đóng rắn.
Quỳnh Thi dịch
hoahocvietnam.com