Nước có thể tồn tại ở hai pha lỏng với khối lượng riêng khác nhau. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển, Nhật Bản và Hàn Quốc; họ đã sử dụng kĩ thuật tán xạ tia X để đo tính chất của những giọt nước chậm đông.
Mặc dù là chất lỏng quan trọng và phổ biến nhất trên Trái Đất, nhưng nước là một chất khó hiểu với các tính chất vật lí khác hẳn với tính chất của một chất lỏng lí tưởng. Cho đến nay đã có một số lí thuyết được xây dựng nhằm giải thích một số đặc tính của nước, nhưng dữ liệu thực nghiệm vẫn chưa đầy đủ.
Nước đá là pha bền nhất của nước ở dưới 0oC, nhưng pha lỏng vẫn siêu bền ở những nhiệt độ dưới 0. Dưới những tình huống nhất định, các tạp chất như các hạt bụi cung cấp nhân kết tụ để các tinh thể băng có thể hình thành, vì thế sự đông đặc xảy ra nhanh chóng. Tuy nhiên, trong phòng thí nghiệm, làm cho nước lỏng chậm đông ở dưới 0oC là chuyện tương đối dễ dàng bằng cách loại bỏ các tạp chất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục hạ xuống, chuyển động phân tử chậm lại và, dưới khoảng -40oC, các phân tử nước bắt đầu hình thành tinh thể xung quanh nhau, cho phép nước dù là nguyên chất cũng kết tinh rất nhanh.
Hình minh họa cho thấy các thăng giáng giữa những vùng có hai cấu trúc cục bộ khác nhau của nước. Màu đỏ là khối lượng riêng lớn và màu xanh là khối lượng riêng nhỏ. Ảnh: ĐH Stockholm
“Miền đất vô chủ”
Nhiều lí thuyết về nước lỏng dự đoán một sự chuyển pha giữa một chất lỏng khối lượng riêng lớn và một chất lỏng khối lượng riêng nhỏ ở những nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, người ta kì vọng điều này xảy ra ở những nhiệt độ và áp suất ở sâu bên trong cái gọi là “miền đất vô chủ” của giản đồ pha của nước trong đó các thí nghiệm rất khó thực hiện.
Trong nghiên cứu mới, Ander Nilsson tại Đại học Stockholm và các đồng sự cho bay hơi các giọt nước lạnh kích cỡ micro-mét bằng cách thả chúng vào một chân không. Sau đó, các giọt nước bị chiếu bởi những xung laser tia X femto giây để xác định cấu trúc phân tử của nước. Nhiệt độ mà mỗi giọt nước đạt tới khi nó được phân tích được xác định bởi quãng đường mà giọt nước đi được trong chân không trước khi xung tia X chạm tới nó.
Các tinh thể băng hình thành trong nhiều giọt nước, nhưng các nhà nghiên cứu nhận ra những giọt này từ hình ảnh nhiễu xạ tia X của chúng và đã loại trừ những giọt như thế ra khỏi phân tích. Bằng cách nghiên cứu hình ảnh nhiễu xạ của những giọt chất lỏng tinh khiết, các nhà nghiên cứu đo được suất nén của chúng biến thiên như thế nào theo nhiệt độ, tìm thấy một cực đại ở khoảng -44oC. Một chất lỏng trở nên mềm hơn khi nó đang ở trạng thái cân bằng động giữa pha khối lượng riêng lớn và pha khối lượng riêng nhỏ. Các nhà nghiên cứu tin rằng cực đại suất nén này xảy ra đâu đó quanh giao điểm, nơi nước lỏng gồm những lượng xấp xỉ bằng nhau của cấu trúc cục bộ khối lượng riêng lớn và cấu trúc cục bộ khối lượng riêng nhỏ.
Ở áp suất thấp, sự chuyển pha này được cho là không rõ ràng. Thay vậy, sẽ có những vùng thăng giáng nhỏ xíu của pha này bên trong một vùng lớn hơn nhiều của pha kia. Nếu mô hình này đúng, thì nó có thể giải thích các tính chất dị thường của nước dưới các điều kiện môi trường bởi vì, mặc dù nước sẽ chủ yếu ở pha khối lượng riêng lớn, nhưng sẽ có những cái bọt thăng giáng, nhỏ xíu của chất lỏng khối lượng riêng thấp liên tục chuyển động bên trong nó.
Sữa, dầu và nước
Bằng cách làm khớp dữ liệu thực nghiệm của họ với một mô hình lí thuyết sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử, các nhà nghiên cứu đã tính được, dưới những áp suất cao hơn, giao điểm giữa hai pha lỏng sẽ làm giảm nhiệt độ. Cấp độ dài của các thăng giáng khối lượng riêng cũng sẽ tăng, đạt tới một “điểm tới hạn” ở áp suất khoảng 800 atm. “Ở điều kiện như thế chất lỏng sẽ trông tựa như sữa, bởi vì các thăng giáng sẽ đạt tới một cấp độ dài sao cho chúng sẽ làm tán xạ ánh sáng nhìn thấy,” Nilsson nói. Ở những áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn nữa, các nhà nghiên cứu dự đoán, các pha khối lượng riêng cao và thấp sẽ tách ra hoàn toàn sao cho, tại một nhiệt độ đặc biệt, phụ thuộc vào áp suất, “bạn sẽ có hai chất lỏng khác nhau trong một cốc nước chia cách với nhau bằng một ranh giới pha – giống hệt như giữa dầu và nước.”
Paolo Gallo tại Đại học Rome Tre ở Italy cảm thấy ấn tượng với kết quả trên. “Nhóm này đã thành công trong việc đi quá giới hạn của sự chậm đông thu được trước đây,” bà nói. “Điều đó có nghĩa là trong tương lai chúng ta còn có thể tiến xa hơn. Có những lĩnh vực trong đó cái quan trọng là tránh sự kết tinh: một trong số này, chẳng hạn, là sự bảo quản lạnh. Trong những trường hợp này, chẳng hạn, sự hòa tan có thể hữu ích, do đó biết được khối lượng riêng của nước chính xác bằng bao nheieu và cấu trúc nước chính xác như thế nào trong pha chậm đông là rất quan trọng.”
Alan Soper tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Anh thì cảm thấy ngạc nhiên và hơi hoài nghi. Ông lưu ý rằng cái khó cố hữu của việc đo nhiệt độ của các giọt chất lỏng khiến việc rút ra kết luận cụ thể là rất khó khăn, và ông cho biết sự tăng suất nén mà các nhà nghiên cứu ghi nhận được là rất nhỏ: “Nó chỉ là một sự tăng rất ít trong tán xạ và nó trải qua một loại cực đại nào đó... Rất có khả năng là nó chỉ chuyển vào pha trong đó nó sắp kết tinh và các phân tử đang sắp xếp lại để chúng có thể hình thành tinh thể,” ông nói. “Họ đã nhìn thấy rõ ràng thứ gì đó và nó rất thú vị,” ông kết luận. “Nhưng cái thật sự gây ra nó có lẽ là thứ chúng ta chưa có câu trả lời ngay được.”
Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Science.
Nguồn: physicsworld.com
