Nước siêu lạnh nhưng không đóng băng

Chúng ta uống nó, bơi lội trong nó, và cơ thể của chúng ta được hình thành chủ yếu từ nó. Tuy nhiên, mặc dù phổ biến như vậy, nhưng có nhiều điều chúng ta vẫn chưa hiểu được về thứ vật chất duy trì sự sống này.

Ảnh: Wikipedia

 

Ví dụ, không giống hầu hết tất cả các hợp chất khác thường co lại khi lạnh, nước nở ra khi nó bị đóng băng – đó là lý do tại sao băng nổi trên mặt nước. Tuy nhiên, nguyên nhân của đặc tính cơ bản bất thường này của nước đến nay vẫn chưa ai hiểu rõ.

Hiện một nghiên cứu sinh tiến sĩ ở Học viện Công nghệ Massachusetts Hoa Kỳ (MIT) và một nhóm các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm mới nhằm ủng hộ một học thuyết gây tranh cãi về trạng thái của nước, có thể giúp giải thích một số bí ẩn của nó.

Phát hiện của họ, xuất bản gần đây trong Báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, có thể có ý nghĩa quan trọng đối với các lĩnh vực khác nhau, từ sinh học đến xây dựng, vì trạng thái của nước ảnh hưởng đến rất nhiều quá trình quan trọng.

Trong video clip này, Tiến sĩ Zhang Yang chứng minh nước chậm đông, một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu này. Một chai nước suối bình thường được cất trong tủ lạnh qua đêm. Vì nó được giữ tĩnh, nước đạt đến nhiệt độ dưới mức đóng băng, nhưng nước không đóng băng được vì nó không có các tâm điểm tạo mầm – chẳng hạn như tinh thể nước đá, bong bóng hoặc gợn sóng – để bắt đầu quá trình đông lạnh. Sau đó, khi chai bị va đập đột ngột, sóng xung kích khiến hầu hết tất cả nước này đóng băng ngay lập tức.

 

Video: Yang Zhang

Nước là “có lẽ là chất kỳ lạ nhất trên trái đất”, Tiến sỹ Yang Zhang, tác giả chính của bài báo PNAS vốn dựa trên nghiên cứu luận án tiến sĩ của ông, cho biết. “Nó hoạt động rất khác so với các chất khác”, với nhiều đặc điểm dị thường, ông nói. Công trình này được hoàn thành, cùng với sự phối hợp của giám sát viên của tiến sĩ Zhang là giáo sư Gieo-Hsin Chen tại Ban Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân của MIT, và 6 đồng tác giả khác.

Tất cả các chất trải qua các giai đoạn chuyển tiếp giữa các trạng thái cơ bản của vật chất – rắn, lỏng và khí. Tại các quá trình chuyển tiếp, tính chất của một chất có thể thay đổi đáng kể và đột ngột. Một thuyết được đề xuất khoảng hai thập kỷ trước giải thích một số trạng thái kì lạ của nước bằng cách cho rằng một quá trình chuyển đổi tương tự có thể diễn ra giữa 2 trạng thái chất lỏng khác nhau, trong đó sự sắp xếp của các phân tử nước thay đổi để cho 2 trạng thái này có mật độ rất khác nhau.

Nghiên cứu mới này thăm dò cấu trúc phân tử của nước dưới một loạt các áp suất và nhiệt độ khác nhau, đã cung cấp một số bằng chứng cho thấy sự tồn tại của sự chuyển đổi trạng thái lỏng-lỏng này, mặc dù vẫn còn thiếu.

Sự chuyển tiếp này khó quan sát được vì nó chỉ xảy ra ở những nhiệt độ và áp suất mà tại đó bình thường nước không thể tồn tại ở dạng lỏng: Ví dụ, nhiệt độ mà tại đó quá trình chuyển tiếp lỏng – lỏng có thể xảy ra nằm xa dưới điểm đóng băng bình thường, ở khoảng âm 60 độ C. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phải tìm một cách thông minh để tiếp cận giới hạn đó.

Một thủ thuật quan trọng: sử dụng các ống silica nhỏ, trong đó các phân tử nước bị giữ chặt do đó chúng không thể kết tinh thành băng. Sự ngậm chặt này làm cho nó có thể duy trì nước ở dạng lỏng ở dưới điểm đóng băng bình thường rất xa.

Với các phân tử nước ở trạng thái này, ông Zhang có thể thăm dò mật độ của chúng bằng cách sử dụng một chùm neutron từ một lò phản ứng tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ. Trong các thí nghiệm này, ông dần dần thay đổi áp suất từ áp suất khí quyển chuẩn lên gấp khoảng 3.000 lần, rồi biến đổi nhiệt độ trong phạm vi 170 độ C. Ông đã tìm thấy một sự khác biệt trong mật độ của nước bằng cách tiếp cận nhiệt độ chuyển tiếp dự kiến ​​theo phương hướng ngược lại, đúng như dự đoán của lý thuyết này.

Pablo Debenedetti, giáo sư ngành kỹ thuật và khoa học ứng dụng tại Đại học Princeton, vốn không tham gia vào nghiên cứu này, nói “đây là những thí nghiệm hay” giải quyết “một trong những câu hỏi mở thú vị nhất về trạng thái lỏng của vật chất, và đặc biệt là ở nước: sự tồn tại khả dĩ của một pha chuyển tiếp giữa 2 pha riêng biệt của nước lỏng”.

Trong khi các thí nghiệm ủng hộ giả thuyết này, ông cho rằng, việc giải thích là rất phức tạp vì nước bị ngậm có thể hoạt động khác biệt so với phần lớn số nước. “Các công cụ lý thuyết cần thiết để liên hệ các quan sát sự ngậm nước tại phạm vi nano với trạng thái của phần lớn nước, một cách rõ ràng, thì hiện nay chưa có”, ông nói.

Nước “chậm đông” vẫn còn ở dạng lỏng dưới điểm đóng băng bình thường thì tương đối dễ tạo ra, ông Zhang thậm chí đã quay được một đoạn phim ngắn chứng minh bằng cách sử dụng một chai nước bình thường được làm lạnh trong tủ lạnh. Nước cũng có thể ở “trạng thái quá nhiệt” trong lò vi sóng tại một nhiệt độ cao hơn điểm sôi, và đột ngột sôi lên chỉ khi nó bị tác động theo cách nào đó. (Trong cả quá trình làm lạnh và đun sôi, nước thường cần một điểm tạo mầm, chẳng hạn như một bong bóng hoặc một gợn sóng, để kích hoạt sự chuyển pha)

Vì nước là chất thiết yếu đối với nhiều khía cạnh cuộc sống của con người, những hiện tượng dị thường này có thể có những hệ quả quan trọng. Ví dụ, ông Chen đã đưa ra một bài phát biểu hồi tháng 7/2011, tại hội nghị về canh tác nông nghiệp ở nhiệt độ thấp, về tác động có thể của những trạng thái chậm đông lên đời sống thực vật. Ông tin thực tế rằng nguyên nhân các sinh vật sống dường như không thể hồi sinh sau khi chịu nhiệt độ dưới âm 45 C là bởi sự chuyển tiếp của nước đến một trạng thái có mật độ thấp hơn làm ngăn trở sự hoạt động của các protein, các phân tử cấu tạo nên các sinh vật sống.

Sự khác biệt về mật độ cũng có thể ảnh hưởng đến các công trình xây dựng, vì bê tông có chứa một lượng nhỏ nước có thể khiến các tòa nhà và đường xá ở các vùng cực bị nứt nghiêm trọng khi nhiệt độ giảm dưới âm 45 C. Nếu thuyết này là đúng thì nhiệt độ tới hạn này có thể thiết lập một giới hạn cơ bản cho cả sinh vật và các tòa nhà bê tông.

Nguồn: Beforeitsnews, tin180