Tiết lộ bí mật của H2O

Chúng ta uống nước, bơi lội trong nước, và cơ thể của chúng ta cấu thành chủ yếu từ nước. H2O, tuy phổ biến nhưng chứa đựng nhiều điều bí mật mà khoa học hiện tại vẫn chưa khám phá được.

Chẳng hạn, không giống như hầu hết tất cả các hợp chất khác: thường co ở nhiệt độ lạnh, nước giãn nở ra khi nó bị đóng băng, đây là lý do tại sao băng nổi trên mặt nước. Tuy nhiên, ngay cả những lý do đặc tính cơ bản bất thường này vẫn còn khó nắm bắt.

Hiện nay, một nghiên cứu sinh của (MIT) và một nhóm các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm mới hỗ trợ một lý thuyết gây tranh cãi về hành vi của H2O, mà có thể giúp giải thích một số bí ẩn của nước.

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên Kỷ yếu 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 cho tới lĩnh vực xây dựng các nhà nghiên cứu nói, bởi vì hành vi của nước, ảnh hưởng đến rất nhiều quá trình quan trọng.

Trong một video clip, Tiến sĩ Zhang Yang, đã chứng minh: tồn tại dạng nước siêu lạnh, một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu này. Bình thường của một chai nước suối đã được giữ trong tủ lạnh qua đêm, bởi vì chai nước đã nằm im, cho nên nước đạt đến một nhiệt độ dưới mức đóng băng, nhưng nước không đóng băng vì nó đã không có mầm trung tâm (chẳng hạn như tinh thể nước đá, bong bóng hoặc gợn sóng để bắt đầu quá trình đông lạnh). Sau đó, khi chai bị tác động đột ngột, các sóng xung kích gây ra hầu như tất cả các phân tử nước đóng băng ngay lập tức.

Nước là “có lẽ là chất liệu kỳ lạ nhất trên trái đất”, theo Tiến sĩ Yang Zhang, tác giả chính của bài báo PNAS, dựa trên đề tài nghiên cứu để làm luận án tiến sĩ.“Nước có tác dụng rất khác nhau khi cho tiếp xúc với các vật liệu khác”, Zhang nói, với các đặc điểm bất thường. Đồng tác giả của nghiên cứu này là giáo sư Gieo-Hsin Chen, làm việc tại Phân Khoa Kỹ thuật và Khoa học hạt nhân của MIT, Hoa Kỳ.

Tất cả các vật liệu trải qua giai đoạn chuyển tiếp giữa các trạng thái cơ bản của vật chất : rắn, lỏng và khí. Tại các quá trình chuyển đổi, tính chất của vật liệu có thể thay đổi đáng kể và đột ngột. Một lý thuyết được đề xuất khoảng hai thập kỷ trước đây giải thích một số hành vi lẻ của nước bằng cách gợi ý rằng một quá trình chuyển đổi tương tự có thể diễn ra giữa hai trạng thái chất lỏng khác nhau, trong đó sự sắp xếp của các phân tử nước thay đổi, làm hình thành hai trạng thái chất lỏng có mật độ rất khác nhau.

Các nghiên cứu mới, thăm dò cấu trúc phân tử của nước dưới một loạt các áp lực và nhiệt độ, cung cấp một số bằng chứng cho sự tồn tại của quá trình chuyển đổi từ : dạng chất lỏng này sang dạng chất lỏng khác, mặc dù bằng chứng chứng minh không nhiều lắm.

Bằng chứng cho sự chuyển đổi này thừa nhận rằng: rất khó khăn để hiện tượng trên xảy ra bởi vì hiện tượng này chỉ xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất mà tại đó nước không thể tồn tại ở dạng lỏng bình thường: Ví dụ, nhiệt độ mà tại đó quá trình chuyển đổi chất lỏng này thành chất lỏng khác, chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ khá xa dưới mức của 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 khắc phục được hạn chế này.

Một trong những mẹo đó là: việc sử dụng các ống nhỏ làm bằng thạch anh, trong đó các phân tử nước bị giam giữ chặt chẽ do đó nước không thể kết tinh thành băng. Sự giam giữ chặt chẽ này đã giúp duy trì nước ở dạng lỏng ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng bình thường của nước.

Với các phân tử nước ở trạng thái này Zhang nay là Clifford G. Shull, nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge Hoa Kỳ, đã có thể thăm dò mật độ của các phân tử nước bằng cách sử dụng một chùm neutron từ một lò phản ứng tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kỳ. Trong các thí nghiệm, Zhang đã dần dần thay đổi áp lực từ áp lực khí quyển bình thường mực nước biển, tăng dần lên khoảng 3.000 lần so với số lượng và đa dạng nhiệt độ trong một phạm vi 170 độ C… Zhang đã tìm thấy một sự khác biệt trong mật độ của các phân tử nước bằng cách tiếp cận nhiệt độ chuyển tiếp dự kiến ​​theo hướng ngược lại, như dự đoán ban đầu của lý thuyết.

Pablo Debenedetti, một giáo sư về kỹ thuật và khoa học ứng dụng tại Đại học Princeton, Hoa Kỳ, người không tham gia vào nghiên cứu này, nói “đây là những thí nghiệm tuyệt vời”, giúp giải đáp“một trong những câu hỏi mở thú vị nhất về tình trạng chất lỏng của vật chất, và đặc biệt là trên mặt nước: sự tồn tại có thể có của một giai đoạn chuyển tiếp giữa hai trạng thái khác nhau của nước ở dạng chất lỏng”.

Trong khi các thí nghiệm ủng hộ giả thuyết trên, Debenedetti nói, giải thích là phức tạp bởi vì vẫn còn giới hạn: lượng nước khổng lồ có thể hành xử khác nhau. “Các công cụ cần thiết để quan sát tính chất của nước một cách rõ ràng: nước ở cấp độ phân tử cho tới khối lượng nước khổng lồ thì hiện nay không sẵn có”, ông nói.

Nước “siêu lạnh” vẫn còn lỏng dưới mức đóng băng bình thường là tương đối dễ dàng để thực hành, Zhang thậm chí quay một cuộc trình diễn ngắn 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 cao hơn điểm sôi, nó chỉ sôi khi khi được tác động tới theo một cách nào đó. (Trong cả hai trạng thái lạnh và đun sôi, nước thường cần một điểm mầm, chẳng hạn như một bong bóng hoặc một gợn sóng, để kích hoạt sự thay đổi trạng thái).

Bởi vì nước được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống của người dân, những hiện tượng mà nó gây nên có thể đem lại những ứng dụng quan trọng. Chẳng hạn, Chen phát biểu tại một hội nghị về nông nghiệp: nhiệt độ thấp, có thể dẫn tới những trạng thái siêu lạnh ảnh hưởng tới đời sống thực vật. Ông tin rằng một thực tế là các sinh vật sống dường như không có thể được hồi sinh sau khi trải qua nhiệt độ dưới âm 45 độ C, bởi vì quá trình chuyển đổi của nước đến một trạng thái ở nhiệt độ thấp như thế này sẽ làm ngừng quá trình hình thành protein, các phân tử cơ bản duy trì chức năng sống còn của các sinh vật.

Sự khác biệt về mật độ cũng có thể ảnh hưởng đến lĩnh vực xây dựng, bởi vì bê tông có chứa một lượng nhỏ nước có thể gây ra hiện tượng bị nứt, gãy nghiêm trọng ở các tòa nhà và đường xá ở các vùng cực khi nhiệt độ giảm xuống dưới âm 45 độ C. Nếu lý thuyết này là chính xác, nhiệt độ tới hạn này có thể thiết lập một giới hạn cơ bản cho cả sinh vật và các tòa nhà bê tông.

“Các khối xây dựng của cơ thể chúng ta và các khối xây dựng của xã hội chúng ta”, Zhang nói, “cả hai đều có cùng một nhiệt độ tới hạn thấp hơn đó là dựa trên tính chất của nước”. Tuy nhiên, bằng sự hiểu biết những giới hạn này Zhang nói thêm, chúng ta có thể làm thay đổi trạng thái của nước, chẳng hạn, bằng cách hòa tan một số hóa chất vào trong nước, để thay đổi các điểm chuyển tiếp trạng trái và có được nhiệt độ tới hạn lý tưởng hơn.

 

Hồ Duy Bình 
(theo khoahoc)