Nghiên cứu tính toán mới nhất của Viện Khoa học Carnegie cho thấy rằng ở sâu bên trong các hành tinh băng khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, các nguyên tố phổ biến là carbon và hydro có thể tồn tại ở dạng chưa từng có. Trạng thái vật chất mới này được kỳ vọng sẽ định hình lại hiểu biết của cộng đồng khoa học về cấu trúc bên trong của các hành tinh và cơ chế hình thành từ trường.
Nghiên cứu do Cong Liu và Ronald Cohen thuộc Viện Khoa học Carnegie dẫn đầu và các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Sử dụng điện toán hiệu suất cao và bắt đầu từ những nguyên lý đầu tiên của cơ học lượng tử, họ đã mô phỏng một cách có hệ thống hoạt động của các hydrocacbon đơn giản (công thức hóa học là CH, nghĩa là hydrocacbon) trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao.
Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương được xếp vào loại "người khổng lồ băng". Các quan sát và mô hình hiện tại cho thấy cấu trúc bên trong của hai hành tinh này có thể được chia đại khái thành ba lớp: lớp ngoài cùng là bầu khí quyển hydro-heli, bị kẹp bởi một lớp dày bao gồm "băng nóng" và lớp trong cùng là lõi dày đặc bao gồm đá và kim loại. Cộng đồng khoa học thường tin rằng những "băng nóng" này chủ yếu bao gồm nước (H₂O), metan (CH₄) và amoniac (NH₄); nhưng dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, các chất này sẽ thể hiện cấu trúc và tính chất hoàn toàn khác với nhiệt độ và áp suất bình thường.
Các mô phỏng của Cong Liu và Cohen bao gồm phạm vi áp suất khoảng 500 đến 3.000 gigapascal (tương đương 5 triệu đến 30 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất) và phạm vi nhiệt độ khoảng 4.000 đến 6.000 kelvin (khoảng 6.740 đến 10.340 độ C), các điều kiện có thể so sánh với độ sâu môi trường trong các hành tinh băng khổng lồ. Kết quả cho thấy trong điều kiện bên trong hành tinh như vậy, hydrocarbon có thể tạo thành một hợp chất có cấu trúc mạng lục giác: carbon tạo thành chuỗi xoắn ốc ở bên ngoài và hydro tạo thành chuỗi xoắn ốc ở bên trong và di chuyển có hướng dọc theo các đường xoắn ốc này.
Trong cấu trúc này, vật liệu thể hiện cái gọi là "trạng thái siêu âm gần như một chiều". Các chất siêu âm là một trạng thái đặc biệt giữa chất rắn và chất lỏng: một số nguyên tử trong mạng tinh thể vẫn giữ trật tự ở trạng thái rắn, trong khi các nguyên tử khác có thể chuyển động tự do trong mạng tinh thể giống như chất lỏng. Nghiên cứu cho thấy trong giai đoạn mới này, bộ xương carbon duy trì cấu trúc tinh thể lục giác có trật tự, trong khi các nguyên tử hydro chủ yếu di chuyển có hướng dọc theo các kênh xoắn ốc được xác định trước thay vì khuếch tán đẳng hướng trong không gian ba chiều.
Cohen đã chỉ ra rằng lý do tại sao pha cacbon-hydro mới được dự đoán này "đặc biệt bắt mắt" là do chuyển động nguyên tử của nó không hoàn toàn là ba chiều mà thiên về một số đường xoắn ốc cụ thể. Đặc điểm di chuyển có tính định hướng cao này rất hiếm gặp ở các vật liệu hành tinh. Hành vi siêu âm “gần một chiều” này có nghĩa là cách nhiệt và điện tích được vận chuyển bên trong những vật liệu như vậy có thể rất khác so với cách hiểu truyền thống về chất lỏng nhiệt độ cao đẳng hướng.
Khám phá này có nhiều ý nghĩa tiềm tàng đối với khoa học hành tinh. Trước hết, sự di chuyển có hướng của hydro trong mạng tinh thể sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của vật liệu sâu, do đó làm thay đổi cách truyền năng lượng bên trong của hành tinh từ lớp sâu sang lớp ngoài. Thứ hai, đặc tính dẫn điện bất thường này có thể liên quan đến hình dạng từ trường đặc biệt của các hành tinh băng khổng lồ, giúp giải thích các đặc điểm quan sát lệch tâm và méo mó hơn của cấu trúc từ trường của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương so với Trái đất và các hành tinh khí khổng lồ (như Sao Mộc và Sao Thổ).
Trong những năm gần đây, số lượng ngoại hành tinh được xác nhận đã vượt quá 6.000 và vẫn đang tăng lên, thúc đẩy sự hợp tác chéo chặt chẽ hơn trong thiên văn học, khoa học hành tinh và khoa học trái đất. Thông qua sự kết hợp giữa quan sát, thí nghiệm và mô phỏng lý thuyết, các nhà nghiên cứu cố gắng mô tả trạng thái vật chất và các quá trình vật lý bên trong hành tinh, bao gồm cơ chế tạo ra từ trường và sự phát triển của các cấu trúc phân lớp sâu. Mô hình hóa các vùng "vô hình" sâu bên trong các hành tinh và mặt trăng của hệ mặt trời sẽ không chỉ giúp hiểu được hành vi của chính các thiên thể này mà còn được kỳ vọng sẽ cung cấp manh mối cho các vấn đề như khả năng sinh sống ngoài Trái đất.
Liu Cong đã chỉ ra rằng carbon và hydro là một trong hai nguyên tố phổ biến nhất trong vật liệu hành tinh, nhưng hoạt động của sự kết hợp nguyên tố đơn giản này trong các điều kiện giống hành tinh khổng lồ vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Công trình này cho thấy ngay cả những hệ thống hóa học cơ bản nhất cũng có thể phát triển các cấu trúc động và tinh thể phức tạp và bất ngờ dưới áp suất và nhiệt độ cực cao, mở rộng ranh giới hiểu biết của các nhà nghiên cứu khoa học về thế giới vật liệu áp suất cao.
Ngoài ý nghĩa vật lý hành tinh, vật liệu có đặc tính truyền định hướng mạnh này cũng có thể có triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật vật liệu rộng hơn. Ví dụ, trong các tình huống đòi hỏi độ dẫn điện hoặc nhiệt dị hướng cao, loại vật liệu siêu âm này được kỳ vọng sẽ trở thành bản thiết kế lý thuyết cho các vật liệu chức năng mới, cung cấp những ý tưởng mới cho thiết kế thiết bị điện tử và năng lượng trong tương lai.