Giới khoa học từ lâu đã nghi ngờ rằng nước siêu lạnh ẩn chứa một điểm tới hạn vô hình, nhưng việc quan sát nó bằng thực nghiệm dường như là điều bất khả thi. Giờ đây, bằng cách sử dụng tia laser điện tử tự do tia X siêu tốc, các nhà nghiên cứu đã chính thức xác nhận: Nước có thể tồn tại dưới hai dạng chất lỏng hoàn toàn khác biệt trước khi hợp nhất thành một ở áp suất và nhiệt độ cực thấp.
Nước là cội nguồn của sự sống trên Trái Đất, vì vậy bạn có thể cho rằng giới khoa học đã nắm rõ mọi "chân tơ kẽ tóc" về cách thức hoạt động của loại chất lỏng thiết yếu này.
Nhưng thực tế lại hoàn toàn trái ngược.
Kẻ Nổi Loạn Của Thế Giới Chất Lỏng
Kể từ những công trình nghiên cứu đầu tiên của nhà vật lý người Đức Wilhelm Röntgen vào những năm 1890, các nhà khoa học đã nhận ra rằng H₂O là một trong những chất lỏng kỳ dị nhất hành tinh. Theo tạp chí Chemistry World, nước sở hữu tới 66 đặc tính vật lý khác biệt hoàn toàn so với các chất lỏng khác, bao gồm sức căng bề mặt, nhiệt dung, điểm sôi và khối lượng riêng.
"Nếu bạn nhìn vào các đặc tính nhiệt động học và động học đơn giản của các chất lỏng thông thường, khi bạn thay đổi áp suất và nhiệt độ, chúng đều hoạt động theo một quy luật giống nhau. Ngoại trừ nước," Giáo sư Anders Nilsson từ Đại học Stockholm, người đã dành hơn một thập kỷ để nghiên cứu về các đặc tính kỳ lạ của nước, chia sẻ.
Một ví dụ điển hình nhất: Nước đạt mật độ (khối lượng riêng) tối đa ở 4°C trước khi đảo ngược quá trình. Đó là lý do tại sao băng lại nổi trên mặt nước thay vì chìm xuống đáy – một đặc tính "cứu rỗi" toàn bộ hệ sinh thái dưới nước trên hành tinh của chúng ta trong kỷ băng hà.
Cuộc Truy Tìm "Điểm Tới Hạn Lỏng - Lỏng" (LLCP)
Để giải mã sự bất thường này, Giáo sư Nilsson đã cất công tìm kiếm một trạng thái vật lý được gọi là Điểm tới hạn lỏng - lỏng (Liquid-Liquid Critical Point - LLCP).
Chúng ta đã biết về điểm tới hạn "cao" của nước ở khoảng 374°C và áp suất gấp 218 lần khí quyển, nơi ranh giới giữa chất lỏng và chất khí hoàn toàn biến mất. Nhưng giới vật lý học giả thuyết rằng còn tồn tại một điểm tới hạn "âm" khi nước bị siêu lạnh (supercooled) — nghĩa là nó vẫn duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với điểm đóng băng thông thường. Mức nhiệt này được dự đoán nằm đâu đó giữa -40°C và -70°C.
Vào năm 2020, Nilsson và cộng sự đã phát hiện ra rằng nước siêu lạnh có thể tồn tại dưới hai pha hoàn toàn riêng biệt: một chất lỏng mật độ cao và một chất lỏng mật độ thấp. Điều này củng cố giả thuyết rằng hai pha này sẽ hợp nhất tại một điểm LLCP bí ẩn. Tuy nhiên, việc xác định chính xác điểm đó là cực kỳ khó khăn, vì nước đóng băng thành đá nhanh hơn bất kỳ phương pháp đo lường nào có thể ghi nhận.
Đột Phá Bằng Tia X-Ray Laser Ở -63°C
Trong một nghiên cứu chấn động vừa được công bố trên tạp chí danh giá Science, nhóm của Giáo sư Nilsson phối hợp cùng Kyung Hwan Kim tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Pohang đã làm được điều không tưởng.
Họ đã sử dụng các xung cực nhanh từ laser điện tử tự do tia X (X-ray free-electron laser) để "chụp" lại khoảnh khắc nước siêu lạnh trước khi nó kịp chuyển hóa thành băng. Kết quả đã làm rung chuyển giới vật lý: LLCP của nước chính thức được xác định ở mức xấp xỉ 210 Kelvin, tức là -63°C.
Đáng chú ý, khám phá này được thực hiện trong môi trường áp suất vô cùng khắc nghiệt (gấp khoảng 1.000 lần áp suất khí quyển).
"Điều đặc biệt là chúng tôi có thể chiếu tia X với tốc độ nhanh không tưởng ngay trước khi khối băng đông đặc lại, từ đó quan sát được cách quá trình chuyển đổi lỏng-lỏng biến mất và một trạng thái tới hạn mới xuất hiện," Giáo sư Nilsson nhấn mạnh.
Thật trớ trêu và đầy tính lịch sử, những bí ẩn về đặc tính của nước do Röntgen khởi xướng từ 130 năm trước, nay lại được giải mã thành công bằng chính phát minh vĩ đại nhất của ông: Tia X.
Tương Lai Của Các Nghiên Cứu Khí Hậu Và Sinh Học
Việc xác định được trạng thái "ẩn" này không chỉ giải quyết một cuộc tranh luận kéo dài cả thế kỷ trong giới vật lý, mà còn mở ra những hướng đi hoàn toàn mới.
Những dao động kỳ lạ của nước ở trạng thái siêu lạnh và áp suất cao này nhiều khả năng có sự liên kết và ảnh hưởng lan rộng đến cả các điều kiện môi trường bình thường. Đây chính là chìa khóa để giải thích tại sao nước lại có cấu trúc phân tử bất thường đến vậy.
Giai đoạn tiếp theo của khoa học sẽ là tìm hiểu xem khám phá này ảnh hưởng như thế nào đến vai trò của nước trong các quá trình vật lý, hóa học, sinh học, địa chất học và đặc biệt là hệ thống khí hậu phức tạp của Trái Đất.
Thế Anh.
Nguồn: Popular Mechanics
Không có nhận xét nào: