Nước có thể tồn tại ở một trạng thái hoàn toàn mới

Trong một báo cáo thử nghiệm được công bố trên Tạp chí quốc tế về công nghệ Nano, các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi thấy một số tính chất vật lý của nước thay đổi hoạt động của chúng trong khoảng 50 độ C tới 60 độ C. Dấu hiệu của sự thay đổi sang một trạng thái lỏng thứ hai có thể sẽ châm ngòi cho một cuộc thảo luận nóng bỏng trong cộng đồng khoa học. Và nếu được xác nhận, nó có thể tác động tới một loạt các lĩnh vực bao gồm công nghệ nano và sinh học.

Trạng thái của vật chất, hay còn gọi là các pha, là một khái niệm hết sức quan trọng trong nghiên cứu các hệ thống được hình thành từ các nguyên tử và phân tử. Nói một cách đại khái, một hệ thống hình thành từ nhiều phân tử có thể được sắp xếp theo một số các hình thái phụ thuộc vào năng lượng toàn bộ của nó. Ở nhiệt độ cao hơn (và năng lượng cũng bởi vậy cao hơn), các phân tử có nhiều hình thái có thể tồn tại và vì vậy hỗn độn hơn cũng như có thể di chuyển tương đối tự do (thể khí). Ở nhiệt độ thấp hơn, các phân tử có số hình thái hạn chế hơn và do đó tạo thành một thể có trật tự hơn (thể lỏng). Nếu nhiệt độ xuống thấp hơn nữa, chúng sẽ tự bố trí trong một cấu hình riêng biệt, tạo thành thể rắn.

Điều này phổ biến đối với các phân tử tương đối đơn giản mà có ba thể rõ ràng và khác biệt (rắn, lỏng và khí) như carbon dioxide hoặc methane. Nhưng đối với các phân tử phức tạp hơn, có một số lượng lớn các hình thái có thể có và điều này làm nảy sinh nhiều giai đoạn hơn. Một ví dụ minh họa tuyệt vời cho điều này là hoạt động phong phú của các tinh thể lỏng mà được hình thành bởi các phân tử hữu cơ và có thể chảy như chất lỏng nhưng vẫn có cấu trúc như tinh thể rắn.

Bởi các giai đoạn của một chất được xác định dựa trên cách các phân tử của chúng được cấu thành, nhiều tính chất vật lý của chất đó sẽ thay đổi đột ngột khi nó thay đổi từ thể này sang thể khác. Trong một báo cáo gần đây, các nhà nghiên cứu đã đánh giá những tính chất vật lý của nước ở nhiệt độ từ 0℃ đến 100℃ trong điều kiện thường (có nghĩa là nước đang ở thể lỏng). Đáng ngạc nhiên, họ tìm thấy điểm khác biệt trong các đặc tính như sức căng bề mặt và chỉ số khúc xạ của nước (đơn vị đo lường ánh sáng truyền qua nước thế nào) vào khoảng nhiệt độ 50 ℃.

Làm sao có thể như vây? Cấu trúc của một phân tử nước, H₂O, rất thú vị và có thể được hình dung như một đầu mũi tên, với hai nguyên tử hydro nằm hai bên sườn với nguyên tử oxy ở đỉnh. Các electron trong phân tử có xu hướng được sắp xếp một cách khá bất đối xứng, làm cho phía oxy mang điện âm so với phía hydro. Đặc điểm cấu trúc đơn giản này dẫn đến một loại tương tác giữa các phân tử nước được gọi là liên kết hydro, trong đó những điện tích đối nhau sẽ hút nhau.

Điều này cho phép nước có những đặc tính mà trong nhiều trường hợp phá vỡ xu hướng được áp dụng với những chất lỏng đơn giản khác. Ví dụ, không giống như hầu hết các chất khác, một khối lượng nước cố định chiếm nhiều diện tích hơn ở dạng chất rắn (nước đá) hơn là ở dạng lỏng bởi cách các phân tử tạo thành một cấu trúc riêng biệt thường thấy. Một ví dụ khác đó là sức căng bề mặt của nước ở dạng lỏng sẽ gấp khoảng hai lần so với những chất lỏng không phân cực và đơn giản hơn.

Nước đơn giản nhưng cũng không phải là quá đơn giản. Điều này có nghĩa rằng một khả năng để giải thích về giai đoạn ngoại lệ của nước là nó hoạt động có một chút giống như một tinh thể lỏng. Các liên kết hydro giữa các phân tử vẫn giữ một số trật tự ở nhiệt độ thấp nhưng vẫn có thể tiếp nhận một thể lỏng thứ hai, ít trật tự hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Nếu được xác nhận, sự phát hiện của các tác giả có thể có rất nhiều ứng dụng. Ví dụ, nếu những thay đổi trong môi trường (chẳng hạn như nhiệt độ) gây ra những thay đổi tính chất vật lý của chất thì điều này có khả năng được sử dụng cho các ứng dụng cảm ứng. Các hệ thống sinh học, có lẽ là cơ bản hơn, chủ yếu được làm bằng nước. Cách mà các phân tử sinh học (chẳng hạn như protein) tương tác với nhau có thể phụ thuộc vào cách thức đặc biệt trong đó các phân tử nước bố trí để tạo thành một pha lỏng. Hiểu được cách thức phân tử nước tự sắp xếp ở nhiệt độ khác nhau có thể làm sáng tỏ về cách chúng tương tác trong các hệ thống sinh học.

Phát hiện này là một cơ hội thú vị cho các nhà lý luận và thực nghiệm, đồng thời cũng là một ví dụ về việc ngay cả những chất quen thuộc nhất còn có những bí mật ẩn giấu bên trong.

Thanh Hà (Theo Smithsonian Magazine)