Hình minh hoạ thể hiện sự dao động giữa các vùng có
hai cấu trúc khác nhau của nước (mật độ cao màu đỏ và mật độ thấp màu xanh) phụ
thuộc vào nhiệt độ. Ảnh: Đại học Stockholm
Nước, thông dụng và cần thiết cho sự sống trên trái
đất, có tính chất rất lạ so với các chất khác. Mật độ, nhiệt độ cụ thể, độ nhớt
và độ nén của nước phản ứng với những thay đổi về áp suất và nhiệt độ thì hoàn
toàn trái ngược với các chất lỏng khác mà chúng ta biết.
Tất cả chúng ta đều biết được rằng, tất cả vật chất
sẽ có khi nó được làm mát, dẫn đến sự gia tăng về mật độ. Do đó, chúng ta hy
vọng rằng, nước sẽ có mật độ cao ở điểm đóng băng. Tuy nhiên, nếu nhìn vào một
ly nước đá, thì mọi thứ đều lộn ngược, bởi vì chúng ta nghĩ rằng nước ở 0°C được
bao quanh bởi đá sẽ ở dưới đáy ly, nhưng dĩ nhiên chúng ta biết rằng các viên đá
lại nổi. Nước ở trạng thái lỏng cũng lạ, nước có mật độ dày nhất ở 4 độ C, và do
đó nó chìm dưới đáy cho dù là ở trong ly hay trong đại dương.
Nếu bạn làm lạnh nước dưới 4 độ thì nó sẽ bắt đầu
giãn nở trở lại. Nếu bạn tiếp tục làm lạnh nước tinh khiết (có tỷ lệ kết tinh
thấp) xuống dưới 0 độ thì nó tiếp tục giãn nở - sự giãn nở thậm chính nhanh hơn
khi trời lạnh hơn. Nhiều tính chất khác như khả năng chịu nén và năng lượng
nhiệt ngày càng trở nên kỳ lạ khi nước được làm mát. Hiện các nhà nghiên cứu tại
Đại học Stockholm, với sự trợ giúp của các xung tia X cực ngắn là các tia laser
X ở Nhật Bản và Hàn Quốc, đã thành công trong việc xác định được rằng, nước đạt
hành vi kỳ lạ đỉnh cao ở -44°C.
Nước là vật chất độc đáo, vì nó có thể tồn tại ở
hai trạng thái lỏng mà có các cách liên kết các phân tử nước khác nhau. Nước dao
động giữa các trạng thái này như thể nó không thể quyết định được và những dao
động này đạt mức tối đa ở -44°C. Đó là khả năng chuyển từ trạng thái lỏng này
sang trạng thái lỏng khác tạo ra nước có các đặc tính bất thường và vì sự dao
động tăng lên khi nước mát hơn nên sự kỳ lạ cũng tăng lên.
Anders Nilsson, Giáo sư Vật lý Hoá học tại Đại học
Stockholm, cho biết: "Điều đặc biệt là chúng tôi có thể chụp X-quang nhanh không
thể tưởng trước khi nước đóng băng và có thể quan sát sự dao động giữa hai trạng
thái này. Trong nhiều thập niên qua, đã có nhiều suy đoán và các lý thuyết khác
nhau để giải thích những đặc tính đáng chú ý này và lý do vì sao các tính chất
này càng mạnh hơn khi nước lạnh hơn. Giờ đây chúng tôi đã tìm ra một mức tối đa,
điều này có nghĩa là có một điểm tới hạn ở áp lực cao hơn."
Một phát hiện đáng chú ý khác của nghiên cứu này là
các tính chất bất thường thì khác nhau giữa nước bình thường và nước nặng và các
tính chất này mạnh hơn ở nước nhẹ hơn. "Sự khác biệt giữa hai đồng vị, H2O và
D2O, ở đây cho thấy tầm quan trọng của hiệu ứng lượng tử hạt nhân", Kyung Hwan
Kim, phụ trách Vật lý Hóa học tại Đại học Stockholm. Alexander Späh, nhà nghiên
cứu sau tiến sĩ tại Đại học Stockholm, cho biết: "Khả năng tạo ra những khám phá
mới trong một chủ đề nghiên cứu nhiều như nước thật sự hấp dẫn và là một nguồn
cảm hứng tuyệt vời cho những nghiên cứu tiếp theo của tôi.”
Harshad Pathak, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại
học Stockholm, nhận xét: "Giấc mơ có thể đo được nước ở điều kiện nhiệt độ thấp
như vậy mà không bị đóng băng đã thành sự thật. Đã có rất nhiều người trên thế
giới nỗ lực tìm kiếm mức tối đa này."
Anders Nilsson giải thích thêm: "Đã có một cuộc
tranh luận gắt gao về nguồn gốc của các tính chất kỳ lạ của nước trong hơn một
thế kỉ qua kể từ lúc có nghiên cứu của Wolfgang Röntgen. "Các nhà nghiên cứu
đang nghiên cứu vật lý của nước giờ đây có thể sử dùng mô hình rằng, nước có một
điểm tới hạn trong chế độ siêu lạnh. Giai đoạn tiếp theo là tìm ra vị trí tới
hạn về mặt áp suất và nhiệt độ. Một thách thức lớn trong một vài năm tới."
Thanh Vân (ScienceDaily)