Sử dụng mô hình máy tính, các nhà hóa học đến từ MIPT và Skoltech (Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo) đã khám phá ra những phân tử có thể có mặt bên trong Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương và các vệ tinh băng của các hành tinh khí khổng lồ. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng ở áp suất cao bên trong các hành tinh này, các phân tử kì lạ và các hợp chất cao phân tử được hình thành. Những hợp chất này bao gồm axit cacbonic và axit orthocarbonic ( axit orthocarbonic còn được biết đến là “axit của Hitler”).
Các kết quả đã được công bố trên Scientific Reports.
“Các hành tinh khí khổng lồ nhỏ hơn – Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương – có một lượng lớn carbon, hydro và oxy. Chúng tôi đã phát hiện ra ở áp suất vài triệu atm các hợp chất không ngờ tới có thể hình thành bên trong các hành tinh này. Lõi của các chúng có thể chứa một lượng lớn các chất kì lạ đó”, giáo sư Artem R. Oganov, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Khám phá vật chất trên máy tính, cho biết.
Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư Oganov đã phát triển một thuật toán mạnh mẽ và toàn diện để nghiên cứu cấu trúc tinh thể và dự đoán các hợp chất, gọi tắt là USPEX. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng thuật toán này để khám phá ra một số chất “bị cấm” trong hóa học cổ điển và có thể chỉ bền ở áp suất cao. Những chất này bao gồm một số lượng lớn các muối chưa từng biết đến trước đây – Na3Cl, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2 và Na4Cl3, cũng như các oxit mới kỳ lạ của magie, silic và nhôm, những chất có thể tồn tại bên trong các siêu-Trái Đất.
Hiện tại Gabriele Saleh (tác giả đầu tiên của nghiên cứu này) từ MIPT và Oganov đã quyết định nghiên cứu hành vi hóa học của hệ carbon-hydro-oxy dưới áp suất cao. “Đây là một hệ vô cùng quan trọng bởi vì toàn bộ hóa học hữu cơ đều dựa trên ba nguyên tố này, và cho đến nay việc chúng cư xử như thế nào dưới áp suất và nhiệt độ cực lớn vẫn còn chưa rõ ràng. Thêm vào đó, chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong tính chất hóa học về các hành tinh khí khổng lồ”, Oganov nói.
Các nhà khoa học biết rằng dưới áp suất khí quyển tất cả hợp chất của carbon, hydro và oxy, trừ methane, nước và carcbon dioxide, đều không bền nhiệt động. Khi áp suất tăng, nước và carbon dioxide vẫn bền, nhưng ở áp suất trên 93 gigapascal (0,93 triệu atm) methane bắt đầu phân hủy để hình thành các hydrocarbon nặng – ethane, butane, và polyethylene. Ta biết rằng áp suất ở bên dưới khe vực Mariana (khu vực sâu nhất của đại dương trên thế giới) là 108,6 megapascal, nhỏ hơn áp suất nêu trên một nghìn lần. Ở áp suất thấp hơn – khoảng 4 GPa – methane và hydro phân tử tương tác, tạo thành tinh thể hỗn hợp (hai phân tử kết hợp tạo thành một cấu trúc tinh thể), và ở 6 GPa, các hydrate – các tinh thể hỗn hợp tạo thành từ methane và nước – hình thành.
Oganov và Saleh đã tiến hành nhiệm vụ tìm kiếm tất cả các hợp chất bền trong phạm vi lên tới 400 GPa (khoảng 4 triệu atm) và đã phát hiện một vài chất mới. Những chất này bao gồm hợp chất dạng lưới – còn gọi là clathrate (hợp chất gồm một lưới bắt giữ các phân tử bên trong, một dạng của tinh thể hỗn hợp) của phân tử hydro và methane 2CH4:3H2, bền ở trong khoảng áp suất từ 10 đến 215 GPa.
Cấu trúc trong của Sao Thiên Vương
Các nhà khoa học cũng thấy rằng ở áp suất trên 0,95 GPa (khoảng 10.000 atm), axit carbonic (H2CO3) trở nên bền nhiệt động. Điều này là rất bất thường đối với một chất rất không bền dưới điều kiện thường – cần các axit mạnh để tổng hợp axit carbonic và nó chỉ có thể tồn tại trong chân không ở áp suất rất thấp.
Bên trong vệ tinh băng của các hành tinh khí khổng lồ, như vệ tinh Europa của Sao Mộc, có các điều kiện để axit carbonic hình thành. Bề ngoài, các vệ tinh được che phủ bởi một lớp băng dày, và bên dưới lớp băng có một đại dương bao quanh một lõi đá. Theo nhiều nhà khoa học, không loại trừ khả năng có sự sống trong các đại dương này.
“Trước đây đại dương trong các vệ tinh này được cho là tiếp xúc trực tiếp với lõi đá và một phản ứng hóa học sẽ xảy ra giữa chúng. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng lõi này có thể bị “bao bọc” trong một lớp axit carbonic kết tinh, có nghĩa là phản ứng giữa đại dương và lõi sẽ không diễn ra”, Oganov cho biết.
Khi áp suất đạt đến 44 GPa, axit carbonic chuyển thành polymer và chất này vẫn bền đến ít nhất 400 GPa. Thêm vào đó, ở 314 GPa một phản ứng tỏa nhiệt giữa axit carbonic và nước sẽ diễn ra, tạo thành axit orthocarbonic (H4CO4). Các nhà khoa học hiện vẫn chưa thể tạo ra hợp chất này trong phòng thí nghiệm bởi vì nó rất không bền. Cấu trúc phân tử của axit orthocarbonic giống với một hình chữ vạn trong tiếng Hán, giống với biểu tượng trên lá cờ của Đức quốc xã, đó là lý do tại sao chúng đôi khi được nhắc đến với cái tên “axit của Hitler”. “Có khả năng lõi của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể chứa một lượng đáng kể polymer của axit carbonic và axit orthocarbonic”, Oganov cho biết.
Hoàng Gia Linh
Theo Science Daily
