Các nhà nghiên cứu đã khảo sát mẫu kim loại bismuth và tìm thấy một đặc điểm hoàn toàn gây bất ngờ cho tất cả mọi người đó là trong một điều kiện nhất định, kim loại rắn này có thể tồn tại ở dạng cấu trúc mà chỉ tồn tại dưới trạng thái lỏng.

Thực tế là ngoài việc tìm thấy một tính chất mới của kim loại thì điều này cũng có nghĩa là bismuth rắn có thể chuyển từ bị đẩy bởi một từ trường (nghịch từ) trở thành bị hút vào một từ trường (sắt từ), và điều này có thể dẫn đến một phương cách hoàn toàn mới để tạo ra vật liệu mới có tính chất độc đáo.

Trong các dạng tồn tại của vật chất như chất lỏng, khí và rắn, tất cả đều được xác định bởi sự sắp xếp cấu trúc của các phân tử và phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài. Ví dụ quá trình đóng băng, tan chảy và bốc hơi của nước.

Nhưng bismuth là một trong những nguyên tố không đơn giản. Chúng thường được tìm thấy ở dạng rắn, nhưng dưới sự gia tăng điều kiện áp suất và nhiệt độ, có thể trải qua một giai đoạn chuyển tiếp có quảng rộng và kéo dài hơn bình thường. các nhà khoa học đã quan sát thấy tám loại pha rắn khác nhau của kim loại này cho đến nay.

Bismuth (Bi) là một nguyên tố rất đặc biệt.

Một trong những đặc tính thú vị nhất của bismuth là khi nó tồn tại dưới dạng rắn sẽ bị đẩy lùi, nhờ một hiện tượng gọi là nghịch từ, nhưng dưới áp suất cao và nhiệt độ cao – thường trùng với điều kiện tồn tại dưới trạng thái lỏng – kim loại có thể trở thành sắt từ.

Bởi vì tính chất kỳ lạ này, các nhà khoa học đã sử dụng bismuth để thực hiện rất nhiều thí nghiệm quan trọng về ảnh hưởng của từ trường về độ dẫn điện (thường bởi vì bismuth là một chất dẫn vô cùng yếu). Và giờ đây chúng ta lại tìm thấy một tính chất kỳ lạ khác về kim loại này – đó là dường như nó có khả năng giữ lại tính chất “ghi nhớ cấu trúc” của pha lỏng, ngay cả khi nó đang tồn tại dưới dạng chất rắn.

Tính chất “ghi nhớ” và phục hồi lại cấu trúc ban đầu ở kim loại không phải là mới – người ta đã chế tạo được các hợp kim có khả năng phục hồi lại hình dạng và cấu trúc ban đầu khi được tác dụng bằng một nhiệt độ và áp suất nhất định. Các hợp kim này có một sự sắp xếp riêng biệt khiến chúng luôn luôn phục hồi lại khi đun nóng hoặc làm lạnh đến một nhiệt độ nhất định. Nhưng sự phục hồi này luôn diễn ra ở trạng thái rắn – các kim loại không được nhảy giữa các pha khác nhau.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Carnegie thực hiện trên bismuth với trạng thái lỏng ở áp suất lớn đáng kinh ngạc (14.000 đến 24.000 lần so với áp suất khí quyển bình thường), và nhiệt độ vào khoảng 1.250 Kelvin (977 độ C, hoặc 1.800 độ F). Khi làm mát từ từ bismuth trở lại trạng thái rắn, họ thấy rằng bismuth rắn “ghi nhớ” một số cấu trúc dưới dạng chất lỏng của nó. Điều đó không có nghĩa là bismuth chuyển đổi trở lại thành hình dạng lỏng đã có trước, mà nó đã ghi nhớ tính chất sắt từ trạng thái lỏng đó là bị thu hút bởi một từ trường, chứ không phải là bị đẩy như bình thường.

Bismuth dưới dạng lỏng có đặc tính như sắt từ.

“Chất lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ cao khiến cấu trúc phân tử bị hỗn loạn, điều này đưa chất lỏng về dạng tồn tại sâu và khiến cho tính chất dưới pha lỏng của bismuth được “ghi nhớ” sau khi làm lạnh cho đến khi rắn lại” – Guoyin Shen, một trong những nhà nghiên cứu giải thích.

“Đây là lần đầu tiên một hiệu ứng như vậy được quan sát thấy trong một nguyên tố kim loại”.

Cho đến bây giờ nhóm nghiên cứu vẫn không hoàn toàn chắc chắn sự ghi nhớ cấu trúc này được lưu trữ trong bismuth như thế nào, hoặc làm thế nào bismuth rắn có khả năng hoạt động như một chất sắt từ, thay vì bị đẩy lùi nam châm như bình thường.

“Nguồn gốc vật lý của hiện tượng này thực sự đáng ngạc nhiên và cần thêm những nghiên cứu bổ sung”, nhóm nghiên cứu đăng trên tạp chí PNAS.

Nhưng đồng thời nhóm cũng cho rằng tính chất mới lạ này cũng có thể gây ra một sự thay đổi tương tự trong các nguyên tố khác, chẳng hạn như cerium, antimon, và plutonium. Và nếu điều này được nghiên cứu sâu hơn thì có thể dẫn đến một phương cách hoàn toàn mới để tạo ra những yếu tố có tính chất đặc biệt chưa được khai thác.