Bằng chứng mới về nước phân tách thành hai chất lỏng khác biệt ở nhiệt độ thấp

Lần đầu tiên sau 30 năm, người ta thấy một dạng “chuyển pha” mới ở nước trong một nghiên cứu của các nhà khoa học trường ĐH Boston. Bởi vì sự chuyển pha này đã được dự đoán là sẽ xuất hiện ở những điều kiện siêu lạnh, tuy nhiên, xác nhận về sự tồn tại của nó vẫn là một thách thức.

Bởi vì ở các mức nhiệt độ thấp, nước không muốn trở thành một chất lỏng mà muốn trở thành băng một cách nhanh chóng. Do những trạng thái của nó vẫn còn bị dấu kín nên vẫn còn nhiều điều chưa rõ về chuyển pha chất lỏng – chất lỏng, không giống với những ví dụ bình thường của các chuyển pha trong nước giữa pha ở trạng thái rắn hoặc bốc hơi hoặc pha lỏng.

Bằng chứng mới, được xuất bản trên Nature Physics, tái hiện một bước tiến đáng kể về phía xác nhận ý tưởng chuyển pha chất lỏng – chất lỏng được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1992 ¹. Francesco Sciortino, hiện giờ là một giáo sư tại trường Sapienza Università di Roma, là một thành viên của nhóm nghiên cứu ban đầu ở trường đại học Boston và là đồng tác giả của bài báo này.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng máy tính để giải thích những đặc điểm phân biệt được hai trạng thái lỏng tại cấp độ vi mô. Họ đã tìm thấy các phân tử nước tại những sắp xếp của hình thức lỏng có mật độ cao có thể được coi là “phức hợp về mặt topo”, như một nút ba la (các phân tử được sắp xếp theo một cách mà chúng tập hợp thành hình một bánh quy xoắn) hay một liên kết Hopf (hai đường mắt xích lồng vào nhau trong một dây xích). Các phân tử trong chất lỏng mật độ cao đến mức có thể nói chúng xoắn rối vào nhau.

Tương phản, các phân tử của chất lỏng mật độ thấp chủ yếu hình thành những đường tròn đơn giản và ngay cả các phân tử trong chất lỏng mật độ thấp cũng không rối vào nhau.

Andreas Neophytou, một nghiên cứu sinh tại trường đại học Birmingham dưới sự dẫn dắt của tiến sĩ Dwaipayan Chakrabarti, là tác giả thứ nhất của bài báo. Anh nói, “Cái nhìn thấu suốt này đem lại cho chúng tôi cơ hội cầm giải quyết một cách hoàn toàn mới của vấn đề đã tồn tại 30 năm tuổi nhưng mới chỉ là điểm bắt đầu”.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô hình nước dạng keo trong mô phỏng của họ, sau đó sử dụng các mô hình phân tử nước. Keo là những hạt có thể lớn hơn một phân tử nước cả ngàn lần. Bằng việc hiển thị kích thước lớn hơn của chúng, sau đó là các chuyển động chậm hơn, keo đã được sử dụng để quan sát và hiểu về hiện tượng vật lý xuất hiện tại các cấp độ nhỏ hơn của nguyên tử và lớn hơn của phân tử.

Tiến sĩ Chakrabarti, đồng tác giả, nói, “Mô hình keo của nước đem lại cho chúng tôi một “chiếc kính lúp’ trực quan để nhìn vào nước ở cấp độ phân tử, và cho phép chúng tôi khám phá những bí mật của nước ở câu chuyện về hai dạng chất lỏng”.

Giáo sư Sciortino thì nói rằng, “Trong công trình này, chúng tôi đề xuất, lần đầu tiên, một cái nhing về chuyển pha chất lỏng – chất lỏng trên cơ sở ý tượng về rối mạng. Tôi chắc chắn là công trình này sẽ khơi gợi cho những mô hình lý thuyết mới dựa trên các khái niệm topo”.

Nhóm nghiên cứu chờ đợi là mô hình mà họ đã sử dụng sẽ mở đường cho những thí nghiệm mới sẽ đánh giá lý thuyết này và mở rộng khái niệm chất lỏng ‘rối với những chất lỏng khác như silicon.

Pablo Debenedetti, một giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại trường đại học Princeton và là chuyên gia hàng đầu thế giới trong lĩnh vực nghiên cứu này, ghi nhận, “Công trình mô phỏng trên máy tính tuyệt đẹp này đã khám phá ra những cơ bản topo nằm bên trong sự tồn tại của các pha lỏng khác nhau trong cùng một chất liệu hình thành mạng lưới.

“Khi làm theo cách này, nó làm phong phú và sâu sắc hơn một cách bền vững hiểu biết của chúng ta về hiện tượng, mà bằng chứng thực nghiệm và tính toán ngày một cho thấy, là trung tâm của thứ vật lý về một chất lỏng ngày một trở nên quan trọng với chúng ta: nước”.

Christian Micheletti, một giáo sư của trường quốc tế về nghiên cứu tiên tiến ở Trieste, Italy, hiện có nghiên cứu liên quan đến hiểu biết về tác động của rối, cụ thể là các nút và liên kết đường tròn, đối với tĩnh, động học và chức năng của polymer sinh học, cho rằng, “Chỉ với bài báo này, Neophytou và cộng sự đã tạo nên những đột phá sẽ là kết quả ở nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau.

Đầu tiên, mô hình keo cho nước tuyệt đẹp của họ mở ra những chiều hoàn toàn mới cho những nghiên cứu rộng hơn về chất lỏng. Vượt ra ngoài điều đó, họ đem lại bằng chứng rất thuyết phục về các chuyển pha, mà cách phân tích truyền thống về cấu trúc cục bộ của chất lỏng còn chưa thể nắm bắt được, có thể thu nhận được bằng việc dõi theo các nút và liên kết trong mạng lưới của chất lỏng.

“Ý tưởng tìm kiếm sự phức tạp trong không gian trừu tượng mơ hồ của những lối đi chạy dọc theo những liên kết phân tử thoáng qua rất hữu dụng. Tôi cho là nó sẽ được áp dụng để nghiên cứu về những hệ phân tử phức hợp”.

Về phần mình, Sciortino nói, “Nước lần lượt bộc lộ bí mật của mình. Hãy mộng mơ đi, nó đẹp biết bao, nếu như chúng ta nhìn vào bên chất lỏng và quan sát điệu nhảy của các phân tử nước, cách chúng đu đưa, cách chúng thay đổi bạn nhảy, tái cấu trúc mạng lưới liên kết hydro. Sự hiện thực hóa mô hình keo cho nước là cách chúng tôi đề xuất có thể biến giấc mơ này thành hiện thực”.

Tô Thanh Vân tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-08-evidence-liquids-temperatures.html

https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zgvc4wx/revision/

—————————

1. https://www.nature.com/articles/s41567-022-01698-6