Nghiên cứu: Nước siêu lạnh có thể tồn tại ở hai trạng thái lỏng khác nhau

Nước được coi là một trong những nhân tố thiết yếu cấu thành nên sự sống trên Trái đất, đồng thời cũng là hợp chất hóa học được con người nghiên cứu nhiều nhất trong vũ trụ. Chúng ta đã quá quen thuộc với các đặc tính hóa học cơ bản của nước khi tồn tại trong những điều kiện thường thấy trên hành tinh. Chẳng hạn, nước sẽ tồn tại ở dạng lỏng ở điều kiện nhiệt độ bình thường, chuyển thành thể rắn ở mức nhiệt 0 độ C trở xuống, và sôi, bay hơi ở 100 trở lên.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science đã cho thấy rằng nước ở nhiệt độ cực thấp sẽ tồn tại ở hai trạng thái lỏng khác nhau: Một dạng lỏng tỷ trọng thấp ở áp suất thấp và một dạng lỏng tỷ trọng cao ở áp suất cao. Hai dạng chất lỏng này mang trên mình hàng loạt các đặc tính khác nhau, và có sự chênh lệch lên tới 20% về tỷ trọng. Nói cách khác, kết quả nghiên cứu ngụ ý rằng ở các điều kiện thích hợp, nước hoàn toàn có thể tồn tại dưới dạng hai chất lỏng không hòa trộn, và được ngăn cách nhau bởi một mặt phân cách mỏng, tương tự như khi bạn đổ dầu vào nước.

Các mô phỏng lý thuyết cho thấy rằng nước siêu lạnh sẽ trải qua quá trình chuyển đổi giữa các dạng tỷ trọng cao và thấp, nhưng trên thực tế, quá trình chuyển đổi này rất khó nghiên cứu bằng thực nghiệm vì nó gần như chỉ xuất hiện trong những điều kiện mà sự kết tinh của băng xảy ra cực kỳ nhanh chóng.

“Khả năng nước có thể tồn tại ở hai trạng thái lỏng khác nhau đã được các nhà khoa học nhắc đến lần đầu cách đây khoảng 30 năm, dựa trên kết quả thu được từ các mô phỏng trên máy tính”, Giáo sư Nicolas Giovambattista đến từ Khoa Vật lý Đại học Brooklyn (Hoa Kỳ), đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

“Giả thuyết phản trực giác này là một trong những câu hỏi quan trọng nhất trong lĩnh vực nghiên cứu tính chất hóa học và vật lý của nước, và cũng là một kịch bản gây tranh cãi kể từ khi được nêu ra. Nguyên nhân bởi các thí nghiệm thực tế có thể tiếp cận hai trạng thái lỏng trong nước thường rất khó thực hiện do sự hình thành băng rõ ràng là không thể tránh khỏi ở các điều kiện mà hai dạng chất lỏng này tồn tại”.

Phân tử nước

Phương án mà nhóm nghiên cứu đưa ra để giải quyết vấn đề trên là kết hợp các laser tia X nhằm xác định cấu trúc nhanh chóng với xung hồng ngoại, qua đó làm nóng nhanh các lớp băng vô định hình được hình thành ở khoảng 200 độ K.

Quá trình gia nhiệt đã tạo ra nước lỏng tỷ trọng cao ở áp suất tăng lên. Khi lớp băng mở rộng và bị nén, chất lỏng mật độ thấp xuất hiện và lớn lên theo quy mô thời gian từ 20 nano giây đến 3 micro giây. Động lực học của các quá trình này hỗ trợ cho quá trình chuyển đổi lỏng-lỏng trong nước siêu lạnh trên quy mô lớn.

Tuy nhiên hiện tại, các nhà khoa học vẫn chưa thể hiểu rõ sự hiện diện của hai dạng chất lỏng như trên có thể ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của các dung dịch nước nói chung, và đặc biệt là cách thức hai chất lỏng có thể ảnh hưởng đến các phân tử sinh học trong môi trường nước.

“Đây vẫn sẽ là một câu hỏi mở, thúc đẩy những nghiên cứu sâu hơn trong tương lai”, giáo sư Giovambattista nhận định.

Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đặc biệt quan tâm đến các đặc tính và hành vi của nước siêu lạnh. Họ tin rằng, nước trong trạng thái siêu lạnh có thể hình thành ở tầng trên của bầu khí quyển và tạo ra những cơn mưa đặc biệt, chẳng hạn như mưa đá mềm (tuyết viên), khi các bông tuyết được bao bọc bởi một lớp băng mỏng.

Nước siêu lạnh cũng được dự đoán là có thể tìm thấy trên các ngoại hành tinh (hành tinh ngoài Hệ Mặt trời) và trong đuôi sao chổi.

Thứ Hai, 30/11/2020 23:18