Phát hiện ra một trạng thái mới của nước

Nước là một trong những hợp chất cơ bản nhất trên Trái đất và chiếm khoảng 60% cơ thể con người. Nước rất đặc biệt. Ngoại trừ thủy ngân, nước là chất lỏng có sức căng bề mặt cao nhất. Nó cũng là chất duy nhất có trạng thái rắn nổi lên trên trạng thái lỏng và không giống như hầu hết các chất khác, nước nở ra khi đóng băng.

Chúng ta đã quá quen thuộc với ba dạng cơ bản: rắn, lỏng, khí của nó. Nó cũng có điểm sôi lớn đáng ngạc nhiên đối với một chất có trọng lượng phân tử nhỏ như vậy.

"Không ai thực sự hiểu được nước", Philip Ball chỉ ra trên Nature. "Thật đáng xấu hổ phải thừa nhận điều đó, nhưng thứ chất bao chiếm hai phần ba hành tinh chúng ta vẫn còn là một bí ẩn. Tệ hơn nữa, chúng ta càng xem xét, càng có nhiều các vấn đề. Kỹ thuật mới nghiên cứu sâu hơn vào cấu trúc phân tử của nước lỏng gợi ra càng nhiều câu đố hơn".

Bao lâu nay người ta chắc rằng chỉ có duy nhất một dạng lỏng của nước. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một dạng lỏng khác của nó. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí quốc tế International Journal of Nanotechnology.

Để đưa ra kết luận trên, một nhóm nghiên cứu quốc tế dẫn đầu bởi nhà vật lý Laura Maestro từ Đại học Oxford (Anh) xem xét một số tính chất riêng của nước. Họ thấy rằng khi được đun nóng đến giữa 40 và 60 độ C, xuất hiện "nhiệt độ vượt ngưỡng" (crossover temperature) và bắt đầu chuyển đổi giữa hai trạng thái lỏng khác nhau, cho thấy dạng mới hoàn toàn.

Các nhà vật lý nghiên cứu những yếu tố như dẫn nhiệt, chỉ số khúc xạ, độ dẫn điện, sức căng bề mặt và hằng số điện môi - cho thấy một điện trường có thể lan truyền qua một chất như thế nào - và làm thế nào chúng phản ứng với những biến động về nhiệt độ giữa 0 và 100 độ C.

Theo đó, khi nước đạt 40 độ C, mọi thứ bắt đầu thay đổi, và mọi thuộc tính thay đổi trong khoảng thời gian nó tăng lên đến 60 độ C. Mỗi thuộc tính có một "nhiệt độ ngưỡng" khác nhau ở đâu đó trong giới hạn này, và các nhà nghiên cứu cho rằng điều này là bởi vì nước dạng lỏng đã chuyển sang một giai đoạn khác.

Nhóm nghiên cứu liệt kê một vài trong số những nhiệt độ ngưỡng làm thay đổi thuộc tính nói trên, cụ thể là khoảng 64 độ C cho sự dẫn nhiệt, 50 độ C cho chỉ số khúc xạ, khoảng 53 độ C cho độ dẫn điện, và 57 độ C cho sức căng bề mặt.

"Kết quả này xác nhận rằng trong khoảng phạm vi 0 - 100 độ C, nhiệt độ ngưỡng nhiều thuộc tính của dạng nước lỏng lên tới gần 50 độ C", họ kết luận.

Phân tử nước duy trì các kết nối rất hời hợt với nhau và các liên kết hydro này thực sự yếu hơn nhiều so với các liên kết hydro và oxy nguyên tử riêng lẻ bên trong phân tử. Vì lý do này, các ràng buộc hydro liên kết các phân tử nước với nhau liên tục bị phá vỡ và tái định hình theo cấu trúc và quy tắc. Các nhà vật lý tin rằng đây là lý do khiến nước có tính chất kỳ lạ nhưng vẫn chưa ai hoàn toàn chắc chắn nó hoạt động thế nào.

"Mọi người đều đồng ý rằng một điểm trong cấu trúc phân tử của nước khiến nó khác hầu hết các chất lỏng khác là liên kết hydro", Ball viết trên Nature.

Trước khi kết quả này được viết bổ sung vào sách giáo khoa cho rằng nước có 4 dạng thì nghiên cứu cần phải được tiếp tục chứng thực và làm lại bởi một nhóm độc lập khác. Các nhà nghiên cứu cho rằng phát hiện của họ có những tác động lớn đối với sự hiểu biết của chúng ta về cả hai hệ thống sinh học và nano.