Các nhà khoa học đã phát hiện ra một trạng thái mới của nước

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Một trong những điều cơ bản mà chúng ta học được trong các lớp khoa học ở trường là nước có thể tồn tại ở ba trạng thái khác nhau: nước đá rắn, nước lỏng hoặc hơi khí. Nhưng mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tìm ra những dấu hiệu cho thấy nước lỏng thực sự có thể tồn tại ở hai trạng thái khác nhau.

Trong khi tiến hành công việc nghiên cứu - kết quả sau đó được công bố trên Tạp chí Công nghệ Nano Quốc tế - các nhà khoa học đã bất ngờ phát hiện ra rằng một số đặc tính thay đổi trong nước có nhiệt độ từ 50 đến 60 ℃. Dấu hiệu về sự tồn tại có thể có của trạng thái lỏng thứ hai của nước đã làm dấy lên một cuộc tranh luận sôi nổi trong giới khoa học. Nếu được xác nhận, khám phá này sẽ có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả công nghệ nano và sinh học.

Trạng thái tổng hợp, còn được gọi là "pha", là khái niệm quan trọng của lý thuyết về hệ thống các nguyên tử và phân tử. Nói một cách đại khái, một hệ thống bao gồm nhiều phân tử có thể được tổ chức dưới dạng một số cấu hình nhất định tùy thuộc vào tổng lượng năng lượng của nó. Ở nhiệt độ cao (và do đó ở mức năng lượng cao hơn), các phân tử có nhiều cấu hình hơn, nghĩa là chúng ít được tổ chức chặt chẽ hơn và chuyển động tương đối tự do (pha khí). Ở nhiệt độ thấp hơn, các phân tử có ít cấu hình hơn và ở trong pha lỏng (lỏng) có tổ chức hơn. Nếu nhiệt độ giảm xuống thấp hơn nữa, chúng sẽ giả sử một cấu hình xác định và tạo thành chất rắn.

Đây là trạng thái chung của các phân tử tương đối đơn giản như carbon dioxide hoặc methane, có ba trạng thái riêng biệt (lỏng, rắn và khí). Nhưng các phân tử phức tạp hơn có số lượng cấu hình lớn hơn có thể có, có nghĩa là số pha tăng lên. Một minh họa tuyệt vời cho điều này là hành vi kép của tinh thể lỏng, được hình thành từ phức hợp của các phân tử hữu cơ và có thể chảy như chất lỏng, nhưng vẫn giữ được cấu trúc tinh thể rắn.

Vì các pha của một chất được xác định bởi cấu hình phân tử của nó, nên nhiều tính chất vật lý thay đổi đột ngột khi một chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Trong nghiên cứu nói trên, các nhà khoa học đã đo một số đặc tính kiểm soát của nước từ 0 đến 100 ℃ trong điều kiện khí quyển bình thường (để nước ở thể lỏng). Thật bất ngờ, họ đã tìm thấy những biến đổi đáng kể về các đặc tính như sức căng bề mặt của nước và chiết suất (chỉ số phản ánh cách ánh sáng truyền qua nước) ở nhiệt độ khoảng 50 ℃.

Cấu trúc đặc biệt

Sao có thể như thế được? Cấu trúc của phân tử nước, H₂O, rất thú vị và có thể được mô tả như một loại mũi tên, nơi nguyên tử oxy nằm ở trên cùng, và hai nguyên tử hydro "đồng hành" với nó từ hai bên sườn. Các electron trong phân tử có xu hướng phân bố không đối xứng, đó là lý do tại sao phân tử nhận điện tích âm từ phía oxy so với phía hydro. Đặc điểm cấu trúc đơn giản này dẫn đến thực tế là các phân tử nước bắt đầu tương tác với nhau theo một cách nhất định, các điện tích trái dấu của chúng hút nhau, tạo thành một liên kết hydro.

Điều này cho phép nước trong nhiều trường hợp hoạt động khác với những gì các chất lỏng đơn giản khác đã quan sát được. Ví dụ, không giống như hầu hết các chất khác, một khối lượng nước nhất định chiếm nhiều không gian hơn ở trạng thái rắn (ở dạng băng) hơn là ở trạng thái lỏng, do thực tế là các phân tử của nó tạo thành một cấu trúc đều đặn cụ thể. Một ví dụ khác là sức căng bề mặt của nước lỏng, gấp đôi sức căng bề mặt của các chất lỏng đơn giản, không phân cực khác.

Nước khá đơn giản, nhưng không tràn ngập. Điều này có nghĩa là lời giải thích duy nhất cho giai đoạn bổ sung của nước đã tự biểu hiện là nó hoạt động giống một tinh thể lỏng. Liên kết hydro giữa các phân tử duy trì một trật tự nhất định ở nhiệt độ thấp, nhưng chúng cũng có thể chuyển sang trạng thái khác, tự do hơn khi nhiệt độ tăng. Điều này giải thích cho những sai lệch đáng kể mà các nhà khoa học quan sát được trong quá trình nghiên cứu.

Nếu điều này được xác nhận, kết luận của các tác giả có thể có nhiều công dụng. Ví dụ, nếu những thay đổi trong môi trường (ví dụ, nhiệt độ) kéo theo những thay đổi về tính chất vật lý của một chất, về mặt lý thuyết, điều này có thể được sử dụng để tạo ra thiết bị âm thanh. Hoặc bạn có thể tiếp cận nó một cách cơ bản hơn - các hệ thống sinh học được cấu tạo chủ yếu từ nước. Cách các phân tử hữu cơ (chẳng hạn như protein) tương tác với nhau có thể phụ thuộc vào cách các phân tử nước tạo thành pha lỏng. Nếu bạn hiểu cách các phân tử nước hoạt động trung bình ở các nhiệt độ khác nhau, bạn có thể làm rõ cách chúng tương tác trong các hệ thống sinh học.

Khám phá này là một cơ hội tuyệt vời cho các nhà lý thuyết và thí nghiệm, đồng thời cũng là một ví dụ tuyệt vời về thực tế rằng ngay cả những chất quen thuộc nhất cũng có thể che giấu bí mật bên trong chính nó.

Rodrigo Ledesma Aguilar