Sâu trong dãy núi Kavkaz ở biên giới Nga, một thí nghiệm bất thường đang diễn ra: Giới khoa học đau đầu

Trong một phòng thí nghiệm ngầm được che chắn bởi một ngọn núi đá, vật liệu có tính phóng xạ cao nằm bên trong một thùng gallium lỏng, phát ra các hạt gọi là neutrino phá vỡ gallium thành các nguyên tử germani.

Mục tiêu là giải quyết một bí ẩn suốt 5 thập kỷ của ngành vật lý: Dị thường gallium.

Chuyên gia thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ cho biết, sự dị thường của gallium có thể được nêu như sau: Các phép đo tốc độ bắt giữ dòng điện tích của neutrino trên gallium từ các nguồn phóng xạ mạnh đã mang lại kết quả thấp hơn mong đợi. Bí ẩn về sự bất thường này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ.

3 thập kỷ trước, trong một phiên bản trước của thí nghiệm hiện tại (diễn ra ở vùng núi Kavkaz), các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra sự thiếu hụt các nguyên tử germani dự kiến mà vẫn chưa thể giải thích được.

"Tôi nghĩ đây là một trong những dị thường hấp dẫn nhất trong vật lý neutrino mà chúng ta có ngày nay" - Ben Jones, một nhà vật lý neutrino tại Đại học Texas, Arlington, Mỹ cho biết.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã nghiên cứu neutrino trong các thí nghiệm sâu dưới lòng đất tại Đài quan sát Neutrino Baksan ở dãy núi Kavkaz của Nga. Cho đến nay, dị thường này vẫn chưa được giải quyết, không có dấu hiệu nào cho thấy sẽ có giải pháp trong tương lai.

Những điểm độc đáo của Galium

Theo Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh, gallium có rất nhiều điểm kỳ lạ, khác thường và cũng rất độc đáo.

Trước tiên, mặc dù nó là chất rắn ở nhiệt độ phòng (khoảng 22 độ C), nhưng kim loại có màu trắng bạc này vẫn mềm đến mức bạn có thể cắt nó bằng dao. 

Ngoài ra, nó có điểm nóng chảy thấp. Nếu bạn cầm một cục gallium, nó sẽ tan chảy theo nghĩa đen từ hơi ấm của bàn tay bạn. Sau đó, nếu bạn đặt nó xuống, nó sẽ đông lại. Theo các nhà khoa học, gallium có phạm vi tồn tại ở trạng thái lỏng rộng nhất trong số các kim loại. Nhờ đặc điểm này, gallium là một trong số ít kim loại có thể thay thế thủy ngân trong nhiệt kế vì nhiệt độ nóng chảy của nó gần với nhiệt độ phòng.

Một điều kỳ lạ nữa là kim loại này co lại khi nóng chảy, khá giống với nước. Vì vậy, gallium rắn nổi trên chất lỏng của nó, một đặc tính chỉ có ở một vài nguyên tố khác, như Bismuth và Antimon. Lý do cho hành vi nóng chảy kỳ lạ này đã là vấn đề gây tranh cãi và suy đoán trong giới khoa học khoảng 50 năm.

Ngay cả với điểm nóng chảy thấp như vậy, điểm sôi của galium vẫn khá cao ở mức 2.204 độ C - mang lại cho nó một trong những tỷ lệ lớn nhất giữa điểm nóng chảy và điểm sôi của bất kỳ nguyên tố nào trên Trái đất. 

Ở nhiệt độ thấp, gallium là một chất rắn giòn, dễ vỡ và giống như thủy tinh, nó vỡ theo kiểu vỏ sò (không theo các mặt phẳng phân tách tự nhiên).

Không chỉ có những đặc điểm bên ngoài dễ nhìn thấy, galium còn khiến các nhà khoa học đau đầu khi thể hiện sự dị thường trong phòng thí nghiệm.

Trong tự nhiên, gallium không bao giờ được tìm thấy dưới dạng nguyên tố tự do và không thể tìm thấy với số lượng đáng kể trong bất kỳ khoáng chất nào. Thay vào đó, nó tồn tại ở dạng vết trong nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm quặng kẽm và bauxit (bô-xít). 

Hầu hết gallium thương mại được chiết xuất dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nhôm và kẽm, theo Chemicool. Các nhà sản xuất galium lớn nhất là Úc, Nga, Pháp và Đức, theo Live Science.

Chemistry Explained cho biết, khoảng 95% lượng tiêu thụ gallium trên thế giới là trong ngành công nghiệp điện tử.

Gallium được sản xuất được dùng để tạo ra gallium arsenide (GaAs), một hợp chất được sử dụng trong mạch vi sóng và hồng ngoại, chất bán dẫn và đèn LED xanh lam và tím. Gallium arsenide có thể tạo ra ánh sáng laser trực tiếp từ điện và được sử dụng trong các tấm pin mặt trời, bao gồm cả những tấm pin trên rover tự hành sao Hỏa Mars Exploration Rover của NASA. 

Còn hợp chất gallium nitride (GaN) được sử dụng làm chất bán dẫn trong công nghệ Blu-ray, điện thoại di động và cảm biến áp suất cho công tắc cảm ứng.

Gallium từng được sử dụng trong bom hạt nhân để ổn định cấu trúc tinh thể. Các nhà khoa học sử dụng hợp kim với gallium cho các lõi plutonium của vũ khí hạt nhân để ổn định các dạng thù hình của plutonium.

Gallium là nguyên tố hóa học có số nguyên tử là 31 và ký hiệu Ga trên bảng tuần hoàn. Nó thuộc họ Boron (nhóm 13) và ở chu kỳ 4. Kim loại này được nhà hóa học người Pháp Paul Emile Lecoq de Boisbaudran phát hiện vào năm 1875 - người đã quan sát các vạch quang phổ chính của nó trong khi kiểm tra vật liệu tách ra từ hỗn hợp kẽm. 

Ngay sau đó, ông đã phân lập kim loại và nghiên cứu các tính chất của nó, trùng khớp với những tính chất mà nhà hóa học người Nga Dmitry Ivanovich Mendeleyev đã dự đoán vài năm trước đó đối với eka-nhôm, nguyên tố chưa được phát hiện khi đó nằm giữa nhôm và indium trong bảng tuần hoàn của ông.

Tham khảo: Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh, Q Magazine, Live Science