Lần đầu chứng minh được nước siêu lạnh là chất lỏng bền
Nước siêu lạnh thực sự là thứ chất lỏng hai trong một. Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái bình dương của Bộ Năng lượng Mỹ đã đi đến kết luận này sau khi lần đầu tiên thực hiện được những đo đạc về nước ở trạng thái lỏng tại các mức nhiệt độ lạnh hơn mức đóng băng của nó.
Các nhà khoa học đã bắt được các thay đổi trong cấu trú của nước siêu lạnh trong lần đầu tiên, sử dụng các laser gia nhiệt và quang phổ hồng ngoại. Nguồn: Timothy Holland/Pacific Northwest National Laboratory
Được xuất bản trên Science với tiêu đề “Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K”, phát hiện này đã cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đã được mong chờ từ lâu để có thể giải thích về một số hành xử kỳ lạ của nước tại các mức nhiệt độ cực lạnh mà người ta có thể tìm thấy bên ngoài không gian và ở vùng trong tầm với của bầu khí quyển Trái đất. Cho đến tận bây giờ, nước ở trạng thái chất lỏng trong những mức nhiệt độ có thể là cực hạn nhất đã là chủ đề của nhiều dự đoán lý thuyết. Một số nhà khoa học đã đặt câu hỏi là liệu có thể có sự tồn tại của nước ở dạng lỏng khi đạt tới các mức nhiệt độ thấp như -117.7 F (190 K) hay không hoặc liệu hành xử kỳ quặc của nước là việc tái cấu trúc lại nước là phần không thể tránh khỏi khi trở thành dạng rắn.
Tranh cãi này có ý nghĩa quan trọng bởi việc hiểu về nước, vốn chiếm tới 71% bề mặt trái đất, là điều cần thiết để hiểu về cách nó ảnh hưởng đến môi trường của chúng ta, cơ thể của chúng ta và cả bản thân sự sống.
“Chúng tôi đã chứng tỏ nước ở dạng lỏng tại các mức nhiệt độ lạnh không chỉ liên quan đến trạng thái bền, nó còn tồn tại trong hai motiv cấu trúc”, Greg Kimmel, một nhà hóa lý tại PNNL, nói. “Phát hiện này giải thích một vấn đề gây tranh cãi trong một thời gian dài là liệu có hay không việc nước ở mức siêu lạnh luôn luôn kết tinh trước khi nó có thể vào trạng thái cân bằng. Câu trả lời là không”.
Nước siêu lạnh: Câu chuyện kể về hai chất lỏng
Mọi người có thể nghĩ là chúng ta đã hiểu về nước. Đây là thứ vật chất nhiều nhất và được nghiên cứu nhiều nhất trong hành tinh của chúng ta. Nhưng bất chấp “bề ngoài” tưởng chừng đơn giản – hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy trong mỗi phân tử – H2O lại phức tạp một cách bất ngờ.
Thật khó khăn một cách đáng ngạc nhiên cho nước đóng băng chỉ dưới điểm tan chảy của nó: nước kháng cự lại việc đóng băng trừ khi có cái gì đó để nó bắt đầu quá trình này, giống như bụi hoặc một thứ chất rắn nào đó bám vào. Trong nước tinh khiết, cần có một cú hích năng lượng để đẩy các phân tử vào một sự sắp xếp đặc biệt cần thiết để đóng băng. Và nó mở rộng ra khi đóng băng, vốn là hành xử bất thường nếu so sánh với các loại chất lỏng khác. Nhưng chính sự bất thường đó là thứ duy trì sự sống trên trái đất. Nếu các khối băng tan hoặc hơi nước trong bầu khí quyển không đủ giữ ấm, sự sống trên trái đất mà chúng ta biết không thể tồn tại.
Hành xử kỳ lạ của nước đã là mối quan tâm của nhà hóa lý Bruce Kay và Greg Kimmel trong hơn 25 năm. Hiện thời, họ và các nhà nghiên cứu postdoc của mình là Loni Kringle và Wyatt Thornley đã hoàn thành một cột mốc trong hướng nghiên cứu này, điều khiến họ hi vọng sẽ mở rộng hiểu biết về những biến đổi mà các phân tử nước ở dạng lỏng có thể thực hiện được.
Vô số mô hình đã được đề xuất để giải thích các đặc tính bất thường của nước. Dữ liệu mới thu thập được bằng việc sử dụng một dạng ảnh chụp nhanh hoạt hình tĩnh vật (stop-motion) của nước ở mức siêu lạnh đã chứng tỏ nó có thể đông lại thành một cấu trúc giống chất lỏng siêu đặc. Hình thức đậm đặc hơn cùng tồn tại bên cạnh một cấu trúc ít đặc hơn phù hợp hơn với dạng liên kết điển hình được chờ đợi ở nước. Tỷ lệ của chất lỏng siêu đậm đặc suy giảm khi nhiệt độ xuống từ -18.7 F (245 K) đến -117.7 F (190 K), phù hợp với những dự đoán của các mô hình “hỗn hợp” cho nước siêu lạnh.
Kringle và Thornley đã dùng quang phổ hồng ngoại để tìm các phân tử nước bị mắc bẫy trong một dạng kiểu hoạt hình tĩnh vật khi một màng mỏng băng được bắn đi với một tia laser, tạo ra một chất lỏng siêu lạnh chỉ trong một vài nano giây.
“Một quan sát quan trọng là tất cả các thay đổi về cấu trúc đều có thể lặp lại và đảo ngược”, Kringle, người tham gia nhiều thực nhiệm của nhóm, cho biết.
Mưa đá mềm: đấy là nước siêu lạnh!
Nghiên cứu này có thể giúp giải thích về mưa đá mềm, hiện tượng những giọt mềm thi thoảng rơi xuống trong các cơn bão khi thời tiết rất lạnh. Mưa đá mềm hình thành khi một bông hoa tuyết tương tác với nước lỏng siêu lạnh trong tầng trên khí quyển.
“Nước ở trạng thái lỏng trong tầng trên khí quyển rất lạnh”, Kay, một học giả trao đổi của Phòng thí nghiệm PNNL và chuyên gia vật lý nước, nói. “Khi nó gặp một bông hoa tuyết, nó đông lại nhanh chóng và sau đó trong điều kiện thuận lợi, nó rơi xuống trái đất. Đây thực sự là thời điểm duy nhất để phần lớn mọi người trải nghiệm được hiệu ứng của nước siêu lạnh”.
Nghiên cứu này có thể giúp hiểu cách nước ở trạng thái lỏng có thể tồn tại ở nhưng hành tinh rất lạnh – sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên vương và sao Hải vương – trong hệ mặt trời của chúng ta và còn cả ở hệ khác. Nước siêu lạnh hóa hơi có thể tạo ra những cái đuôi đẹp đẽ trải dài ở phía sau các sao chổi.
Phân tử nước “rèn luyện thân thể”
Trên trái đất, một hiểu biết sâu hơn về việc nước có thể vặn xoắn lại khi được đặt vào trong những vị trí chật hẹp như một phân tử nước đơn lẻ xếp chặt trong một protein, có thể giúp các nhà khoa học thiết kế ra những loại thuốc mới.
“Không có nhiều không gian cho các phân tử nước bao quanh các protein”, Kringle nói. “Nghiên cứu này có thể rọi ánh sáng vào cách nước ở trạng thái chất lỏng hành xử trong những môi trường được sắp xếp một cách chặt chẽ”.
Thornley lưu ý “trong những nghiên cứu tới, chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật mới này để theo dõi những tái sắp xếp phân tử nằm trong một diện rất rộng các phản ứng hóa học”.
Có rất nhiều điều cần học hỏi và những đo đạc đó sẽ giúp chúng ta tìm được một hiểu biết sâu sắc hơn về phần lớn chất lỏng giúp mang lại sự sống trên trái đất này.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-09-supercooled-stable-liquid-scientists.html
