Phát hiện trạng thái lượng tử mới của nước

Mô hình phân tử của nước lỏng thể hiện các nguyên tử oxygen và hydrogen (tương ứng là các quả cầu đỏ và trắng). (Ảnh: P99am/Wikipedia).

Những phẩm chất kì lạ và đầy sinh khí của nước có thể được giải thích phần nào bởi cơ học lượng tử. Đó là khẳng định được nêu ra bởi một nhóm nhà vật lí ở Anh và Mĩ. Họ đã thực hiện những phép đo cực nhạy về proton trong những mẫu nước nhỏ xíu và nhận thấy rằng những proton này hành xử rất khác với những proton có mặt trong một mẫu nước lớn hơn nhiều.

Nước có rất nhiều tính chất khiến nó khác biệt với những chất khác và khiến nó đặc biệt thích hợp để duy trì sự sống. Thí dụ, thực tế thì ở dạng rắn nó kém đặc hơn ở dạng lỏng, và tỉ trọng tối đa của nó xảy ra tại 4^oC, nghĩa là hồ nước đóng băng từ trên xuống chứ không phải từ dưới lên – cái thật sự cần thiết để duy trì sự sống trong những kỉ nguyên băng giá.

Trong nghiên cứu mới, Georgr Reiter ở trường Đại học Houston cùng các đồng nghiệp nghiên cứu chi tiết yếu tố then chốt đối với các tính chất khác thường của nước – đó là liên kết hydrogen. Đây là liên kết giữa các phân tử nước, nối nguyên tử oxygen của một phân tử này với nguyên tử hydrogen trong một phân tử khác. Liên kết hydrogen chủ yếu thường được xem là một hiện tượng tĩnh điện, nói cách khác là nước gồm các phân tử rời rạc liên kết với nhau qua các điện tích dương và âm (tương ứng nằm ở phía nguyên tử hydrogen và oxygen). Bức tranh đơn giản này có thể giải thích một số đặc điểm của nước, như cấu trúc của nó – các tiên đoán của mô hình trên phù hợp tốt với kết quả của các thí nghiệm tán xạ neutron cho biết một nguyên tử oxygen cách nguyên tử lân cận của nó trung bình là bao nhiêu.

Các tiên đoán proton nghèo nàn

Tuy nhiên, cái Reiter và đội của ông tìm thấy là mô hình tĩnh điện này không thể sử dụng để tiên đoán năng lượng của từng proton bên trong các phân tử nước. Họ đi đến kết luận này sau khi giữ nước bên trong các ống nano carbon đường kính 1,6 nm và sau đó đặt những ống nano này trước chùm neutron năng lượng cao phát ra từ nguồn neutron ISIS tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Anh. Năng lượng cao của các neutron nghĩa là chúng bật khỏi các proton bên trong nước trước khi các proton chệch hướng có cơ hội tương tác với xung quanh của chúng, cho nên bằng cách ghi lại sự phân bố năng lượng của các neutron thoát ra, các nhà nghiên cứu có thể thu được một phép đo trực tiếp của sự phân bố xung lượng và động năng của các proton.

Họ nhận thấy sự phân bố xung lượng của các proton phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, có động năng cao hơn 50% so với mô hình tĩnh điện tiên đoán ở những nhiệt độ thấp, và động năng cao hơn 20% ở nhiệt độ phòng. Mô hình tĩnh điện mang lại các giá trị đại khái là chính xác đối với nước khối ở nhiệt độ phòng.

Đội nghiên cứu cho rằng đây là bằng chứng cho thấy proton tồn tại trong một trạng thái lượng tử trước đây chưa từng quan sát thấy khi nước bị giữ trong một thể tích rất nhỏ - một trạng thái không được mô tả bằng mô hình tĩnh điện. Họ cho biết trong khi ở khoảng cách 0,1 nm duy chỉ những phân tử cách nhau tiêu biểu có giếng thế gian phân tử mới tác dụng một lực đáng kể, thì ở cỡ khoảng cách 0,01 nm tiêu biểu của một giếng thế proton đơn lẻ, các thăng giáng lượng tử chiếm ưu thế xảy ra dọc theo các liên kết hydrogen trở nên đáng kể. Theo cách này, các liên kết hydrogen hình thành nên cái gọi là một “mạng điện tử liên kết” và họ cho rằng chính sự phản ứng của mạng đó với sự giam cầm là nguyên nhân gây ra những biến đổi lớn ở năng lượng proton.

Khảo sát những không gian giam cầm khác

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận sự khác biệt này bằng những chất liệu khác. Thí dụ, họ nhận thấy khi nước bị giam giữ bên trong chất liệu công nghiệp Nafion, một màng trao đổi proton dùng trong các tế bào nhiên liệu, thì các proton có động năng gấp gần hai lần so với nước khối. Họ còn nhận thấy khi sử dụng các ống nano carbon đơn thành đường kính 1,4 nm thì phân bố có năng lượng thấp hơn 30% so với trong nước khối. “Không có phản ứng hóa học nào xảy ra ở đây”, Reiter nói, “cho nên sự khác biệt duy nhất giữa hai bộ ống nano là kích cỡ của chúng. Điều đó cho tối biết rằng trạng thái lượng tử ấy đang có mặt trong ống trụ và vấn đề là ống trụ to bao nhiêu”.

Theo Reiter, trạng thái lượng tử cơ bản mà họ vừa nhận ra có thể quan trọng đối với sự sống vì chiều dài giam cầm tiêu biểu của các thí nghiệm của họ - chừng 2 nm – đại khái bằng khoảng cách giữa những cấu trúc bên trong các tế bào sinh học. “Tôi nghĩ cơ học lượng tử của các proton trong nước đang có vai trò nào đó trong sự phát triển của mọi dạng sống tế bào mà trước đây chúng ta chưa bao giờ để ý tới”, ông nói.

Reiter còn tin rằng nghiên cứu của nhóm ông có thể có những ứng dụng thực tiễn, thí dụ như cải tiến hiệu suất của các tế bào nhiên liệu. Ông cho biết họ đã tìm thấy một mối tương quan giữa độ dẫn của nước khi giam cầm trong Nafion và mức độ mà các proton bên trong nước tồn tại trong một giếng thế kép, thay vì một giếng đơn.

Sow-Hsin Chen ở Viện Công nghệ Massachusetts, người không tham gia gì trong nghiên cứu mới này, tán thành rằng các kết quả của thí nghiệm trên ngụ ý rằng kiểu liên kết hydrogen trong nước bị giam cầm có thể khá khác với trong nước khối, và cho biết bước tiếp theo là thực hiện các mô phỏng cơ lượng tử để tìm hiểu xem điều này ảnh hưởng như thế nào đến các tính chất của nước bị giam cầm. Nhưng ông lưu ý rằng không phải mọi tính chất của nước nhất thiết phải có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Đặc biệt, ông tin rằng khẳng định do một vài nhóm nghiên cứu nêu ra rằng nước siêu lạnh có các dạng tỉ trọng cao và thấp rời rạc, có thể giải thích tốt hơn bằng cơ học thống kê so với khi xem xét hành trạng của từng hạt đơn lẻ.

Bạn đọc có thể tham khảo nghiên cứu này tại arXiv: 1101.4994.

Nguồn: Edwin Cartlidge (physicsworld.com)