Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stockholm đã sử dụng công nghệ laser tia X tiên tiến để khám phá một đặc điểm từ lâu đã được nghi ngờ của nước: một “điểm tới hạn” xuất hiện khi nước bị siêu lạnh sâu, khoảng -63°C và ở áp suất 1000 atmosphere. Trạng thái ẩn này giúp giải thích vì sao nước có những hành vi khác thường trong điều kiện bình thường. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Science.

Nước có mặt khắp nơi và thiết yếu cho sự sống, nhưng lại hành xử rất khác so với hầu hết các chất lỏng khác. Những tính chất như mật độ, nhiệt dung riêng, độ nhớt và độ nén thay đổi theo nhiệt độ và áp suất theo cách trái ngược với những gì các nhà khoa học quan sát ở các chất khác.

Vì sao nước “phá vỡ” các quy luật vật lý thông thường

Hầu hết các vật chất trở nên đặc hơn khi nguội đi. Theo logic đó, nước phải đạt mật độ cao nhất tại điểm đóng băng. Tuy nhiên, thực tế lại ngược lại. Băng nổi trên nước, nghĩa là nó có mật độ thấp hơn nước lỏng. Trên thực tế, nước đạt mật độ lớn nhất ở 4°C, vì vậy nó chìm xuống dưới lớp băng trong cốc nước hoặc trong các thủy vực tự nhiên.

Khi được làm lạnh dưới 4°C, nước bắt đầu giãn nở trở lại. Nếu nước tinh khiết tiếp tục được làm lạnh dưới 0°C mà không đóng băng (điều này có thể xảy ra khi quá trình kết tinh diễn ra chậm), sự giãn nở này tiếp tục và thậm chí tăng nhanh khi nhiệt độ giảm. Các tính chất khác, bao gồm độ nén và nhiệt dung, cũng trở nên ngày càng bất thường khi nước lạnh đi.

Laser tia X hé lộ trạng thái ẩn của nước

Để nghiên cứu những bí ẩn này, các nhà khoa học đã sử dụng các xung tia X siêu nhanh tại các cơ sở nghiên cứu ở Hàn Quốc, cho phép họ quan sát nước trước khi nó kịp đóng băng. Điều này giúp xác định điểm tới hạn và xác nhận vai trò của nó trong việc định hình các hành vi bất thường của nước.

Anders Nilsson, Giáo sư Vật lý Hóa học tại Khoa Vật lý của Đại học Stockholm, cho biết: “Điều đặc biệt là chúng tôi có thể chiếu tia X với tốc độ không tưởng trước khi nước đóng băng, và quan sát được cách quá trình chuyển pha giữa hai trạng thái lỏng biến mất và một trạng thái tới hạn mới xuất hiện. Trong nhiều thập kỷ, đã có nhiều giả thuyết và lý thuyết khác nhau để giải thích những tính chất đáng chú ý này, và một trong số đó là sự tồn tại của điểm tới hạn. Giờ đây chúng tôi đã xác nhận rằng điểm này thực sự tồn tại.”

Hai dạng lỏng của nước và sự chuyển tiếp tới hạn

Nước là một trường hợp đặc biệt vì nó có thể tồn tại dưới hai dạng lỏng khác nhau ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Hai dạng này khác nhau về cách các phân tử được sắp xếp và liên kết với nhau. Khi nhiệt độ tăng và áp suất giảm, sự khác biệt giữa hai trạng thái lỏng này biến mất, hợp nhất thành một pha duy nhất tại điểm tới hạn.

Vùng này rất không ổn định, tạo ra các dao động trên phạm vi rộng của nhiệt độ và áp suất, thậm chí ảnh hưởng đến cả điều kiện môi trường thông thường. Trong trạng thái này, nước liên tục chuyển đổi giữa hai cấu trúc lỏng, gần như không “quyết định” được trạng thái nào. Chính những dao động này tạo nên các tính chất bất thường của nước. Sau điểm tới hạn, nước bước vào trạng thái siêu tới hạn – trạng thái mà nước có thể đạt được trong các điều kiện môi trường bình thường.

Hệ động lực chậm lại gần trạng thái giống “hố đen”

Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy rằng động lực của hệ chậm lại đáng kể khi tiến gần điểm tới hạn. Robin Tyburski, nhà nghiên cứu Vật lý Hóa học tại Đại học Stockholm, cho biết: “Có cảm giác như bạn không thể thoát khỏi điểm tới hạn một khi đã tiến vào, gần giống như một hố đen.”

Đột phá nhờ công nghệ tiên tiến

Aigerim Karina, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong lĩnh vực Vật lý Hóa học, chia sẻ: “Thật đáng kinh ngạc khi băng vô định hình – một trạng thái của nước đã được nghiên cứu rất nhiều – lại trở thành ‘cánh cửa’ giúp chúng tôi tiếp cận vùng tới hạn. Đây là nguồn cảm hứng lớn cho các nghiên cứu tiếp theo của tôi và là lời nhắc rằng ngay cả những chủ đề quen thuộc như nước vẫn có thể mang lại những khám phá mới.”

Iason Andronis, nghiên cứu sinh tiến sĩ, nói thêm: “Đó là một giấc mơ trở thành hiện thực khi có thể đo đạc nước ở nhiệt độ cực thấp mà không bị đóng băng. Nhiều người đã mơ về việc tìm ra điểm tới hạn này, nhưng trước khi có công nghệ laser tia X, chúng ta chưa có phương tiện để làm điều đó.”

Ý nghĩa đối với khoa học và sự sống

Fivos Perakis, Phó Giáo sư Vật lý Hóa học, nhận xét: “Tôi thấy rất thú vị khi nước là chất lỏng siêu tới hạn duy nhất tồn tại trong điều kiện môi trường nơi có sự sống, và chúng ta cũng biết rằng không có sự sống nếu thiếu nước. Liệu đây chỉ là sự trùng hợp, hay còn có những hiểu biết sâu sắc hơn mà chúng ta sẽ khám phá trong tương lai?”

Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã tranh luận về lý do khiến nước hành xử khác biệt, bắt đầu từ các nghiên cứu của Wolfgang Röntgen. Theo Anders Nilsson, khám phá này có thể đã khép lại cuộc tranh luận đó. Ông cho biết: “Các nhà nghiên cứu về vật lý của nước giờ đây có thể thống nhất rằng nước có một điểm tới hạn trong trạng thái siêu lạnh. Bước tiếp theo là tìm hiểu những hệ quả của phát hiện này đối với vai trò của nước trong các quá trình vật lý, hóa học, sinh học, địa chất và khí hậu. Đây sẽ là một thách thức lớn trong những năm tới.”