Thí nghiệm tán xạ neutron và lập mô phỏng trên máy tính vừa làm sáng tỏ một hành trạng độc đáo và bất ngờ của các phân tử nước dưới điều kiện giam cầm khắc nghiệt, nó không ăn khớp với trường hợp khí, lỏng hay rắn nào đã biết.
Trong một bài báo công bố trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì mô tả một trạng thái chui hầm mới của các phân tử nước bị giam cầm trong các rãnh lục giác cực nhỏ - bề ngang 5 angstrom - của khoáng chất beryl. Một angstrom là 1/10 tỉ của một mét, và từng nguyên tử có đường kính tiêu biểu khoảng chừng 1 angstrom.
Khám phá trên được hỗ trợ bởi các thí nghiệm tại Nguồn phát Neutron Phân rã Hạt Nhân thuộc ORNL và Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Vương quốc Anh. Nó làm sáng tỏ các đặc điểm của nước dưới điều kiện giam cầm khắc nghiệt trong đá, trong đất và các thành tế bào. Các nhà khoa học dự đoán nó sẽ thu hút sự quan tâm của nhiều ngành khoa học.
Các nhà nghiên cứu ORNL phát hiện thấy nước trong beryl biểu hiện một số đặc trưng độc đáo và khác lạ.
“Ở những nhiệt độ thấp, nước chui hầm này biểu hiện chuyển động lượng tử qua các thành thế tách biệt, cái bị cấm trong thế giới cổ điển,” phát biểu của tác giả đứng tên đầu Alexander Kolesnikov. “Điều này có nghĩa là các nguyên tử oxygen và hydrogen của phân tử nước bị ‘mất định xứ’ và do đó đồng thời có mặt ở cả sáu vị trí tương đương đối xứng trong rãnh cùng một lúc. Đó là một trong những hiện tượng chỉ xảy ra trong cơ học lượng tử và không có cái tương đương trong kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta.”
Sự tồn tại của trạng thái chui hầm của nước biểu hiện trong nghiên cứu ORNL sẽ giúp các nhà khoa học mô tả tốt hơn các tính chất nhiệt động lực học và hành trạng của nước trong các môi trường giam cầm khắc nghiệt, ví dụ sự khuếch tán và vận chuyển nước trong các rãnh của màng tế bào, trong các ống nano carbon và dọc theo các ranh giới hạt, và tại các bề mặt khoáng chất trong môi trường địa chất tự nhiên.
Đồng tác giả Lawrence Anovitz lưu ý rằng khám phá trên có khuynh hướng gây tranh luận giữa các nhà khoa học vật liệu, sinh học, địa chất và khoa học điện toán, khi họ muốn giải thích cơ chế ẩn sau hiện tượng này và tìm hiểu cách áp dụng nó cho lĩnh vực của mình.
“Khám phá này là một nhận thức mới căn bản của hành trạng của nước và cách nước khai thác năng lượng,” Anovitz nói. “Cái cũng hấp dẫn là hãy nghĩ tới các phân tử nước trong vòng đeo tay bằng ngọc lục bảo của bạn – các biến thế lam và lục của beryl – đang trải qua sự chui hầm lượng tử mà chúng tôi đã chứng kiến trong các thí nghiệm của mình.”
Các nghiên cứu trước đây đã quan sát thấy sự chui hầm của hydrogen nguyên tử trong các hệ khác, nhưng khám phá ORNL rằng nước biểu hiện hành trạng chui hầm như thế là chưa có tiền lệ. Các thí nghiệm tán xạ neutron và hóa học điện toán cho thấy rằng, ở trạng thái chui hầm, các phân tử nước bị mất định xứ xung quanh vòng lục giác cho nên phân tử nước được cho là có hình hai đỉnh khác lạ.
“Động năng trung bình của các proton nước thu được trực tiếp từ thí nghiệm neutron là một số đo của chuyển động của chúng ở gần như không độ tuyệt đối và nhỏ hơn khoảng 30% so với trong nước lỏng hoặc nước đá,” Kolesnikov nói. “Điều này hoàn toàn không khớp với các mô hình đã được chấp nhận dựa trên năng lượng của các mode dao động của nó.”
Những mô phỏng trên nguyên lí đầu tiên do Narayani Choudhury thuộc Viện Công nghệ Lake Washington và Đại học Washington-Bothell tiến hành cho thấy hành trạng chui hầm đi cùng với động lực học dao động của cấu trúc beryl.
Tham khảo: Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule, PRL, journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.167802
Nguồn: PhysOrg.com
