Nước chậm đông có thể tồn tại ở hai pha lỏng

Nước có thể tồn tại ở hai pha lỏng với khối lượng riêng khác nhau. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Thụy Điển, Nhật Bản và Hàn Quốc; họ đã sử dụng kĩ thuật tán xạ tia X để đo tính chất của những giọt nước chậm đông.

Mặc dù là chất lỏng quan trọng và phổ biến nhất trên Trái Đất, nhưng nước là một chất khó hiểu với các tính chất vật lí khác hẳn với tính chất của một chất lỏng lí tưởng. Cho đến nay đã có một số lí thuyết được xây dựng nhằm giải thích một số đặc tính của nước, nhưng dữ liệu thực nghiệm vẫn chưa đầy đủ.

Nước đá là pha bền nhất của nước ở dưới 0oC, nhưng pha lỏng vẫn siêu bền ở những nhiệt độ dưới 0. Dưới những tình huống nhất định, các tạp chất như các hạt bụi cung cấp nhân kết tụ để các tinh thể băng có thể hình thành, vì thế sự đông đặc xảy ra nhanh chóng. Tuy nhiên, trong phòng thí nghiệm, làm cho nước lỏng chậm đông ở dưới 0oC là chuyện tương đối dễ dàng bằng cách loại bỏ các tạp chất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục hạ xuống, chuyển động phân tử chậm lại và, dưới khoảng -40oC, các phân tử nước bắt đầu hình thành tinh thể xung quanh nhau, cho phép nước dù là nguyên chất cũng kết tinh rất nhanh.

Màu đỏ là khối lượng riêng lớn và màu xanh là khối lượng riêng nhỏ

Hình minh họa cho thấy các thăng giáng giữa những vùng có hai cấu trúc cục bộ khác nhau của nước. Màu đỏ là khối lượng riêng lớn và màu xanh là khối lượng riêng nhỏ. Ảnh: ĐH Stockholm

 “Miền đất vô chủ”

Nhiều lí thuyết về nước lỏng dự đoán một sự chuyển pha giữa một chất lỏng khối lượng riêng lớn và một chất lỏng khối lượng riêng nhỏ ở những nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, người ta kì vọng điều này xảy ra ở những nhiệt độ và áp suất ở sâu bên trong cái gọi là “miền đất vô chủ” của giản đồ pha của nước trong đó các thí nghiệm rất khó thực hiện.

Trong nghiên cứu mới, Ander Nilsson tại Đại học Stockholm và các đồng sự cho bay hơi các giọt nước lạnh kích cỡ micro-mét bằng cách thả chúng vào một chân không. Sau đó, các giọt nước bị chiếu bởi những xung laser tia X femto giây để xác định cấu trúc phân tử của nước. Nhiệt độ mà mỗi giọt nước đạt tới khi nó được phân tích được xác định bởi quãng đường mà giọt nước đi được trong chân không trước khi xung tia X chạm tới nó.

Các tinh thể băng hình thành trong nhiều giọt nước, nhưng các nhà nghiên cứu nhận ra những giọt này từ hình ảnh nhiễu xạ tia X của chúng và đã loại trừ những giọt như thế ra khỏi phân tích. Bằng cách nghiên cứu hình ảnh nhiễu xạ của những giọt chất lỏng tinh khiết, các nhà nghiên cứu đo được suất nén của chúng biến thiên như thế nào theo nhiệt độ, tìm thấy một cực đại ở khoảng -44oC. Một chất lỏng trở nên mềm hơn khi nó đang ở trạng thái cân bằng động giữa pha khối lượng riêng lớn và pha khối lượng riêng nhỏ. Các nhà nghiên cứu tin rằng cực đại suất nén này xảy ra đâu đó quanh giao điểm, nơi nước lỏng gồm những lượng xấp xỉ bằng nhau của cấu trúc cục bộ khối lượng riêng lớn và cấu trúc cục bộ khối lượng riêng nhỏ.

Ở áp suất thấp, sự chuyển pha này được cho là không rõ ràng. Thay vậy, sẽ có những vùng thăng giáng nhỏ xíu của pha này bên trong một vùng lớn hơn nhiều của pha kia. Nếu mô hình này đúng, thì nó có thể giải thích các tính chất dị thường của nước dưới các điều kiện môi trường bởi vì, mặc dù nước sẽ chủ yếu ở pha khối lượng riêng lớn, nhưng sẽ có những cái bọt thăng giáng, nhỏ xíu của chất lỏng khối lượng riêng thấp liên tục chuyển động bên trong nó.

Sữa, dầu và nước

Bằng cách làm khớp dữ liệu thực nghiệm của họ với một mô hình lí thuyết sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử, các nhà nghiên cứu đã tính được, dưới những áp suất cao hơn, giao điểm giữa hai pha lỏng sẽ làm giảm nhiệt độ. Cấp độ dài của các thăng giáng khối lượng riêng cũng sẽ tăng, đạt tới một “điểm tới hạn” ở áp suất khoảng 800 atm. “Ở điều kiện như thế chất lỏng sẽ trông tựa như sữa, bởi vì các thăng giáng sẽ đạt tới một cấp độ dài sao cho chúng sẽ làm tán xạ ánh sáng nhìn thấy,” Nilsson nói. Ở những áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn nữa, các nhà nghiên cứu dự đoán, các pha khối lượng riêng cao và thấp sẽ tách ra hoàn toàn sao cho, tại một nhiệt độ đặc biệt, phụ thuộc vào áp suất, “bạn sẽ có hai chất lỏng khác nhau trong một cốc nước chia cách với nhau bằng một ranh giới pha – giống hệt như giữa dầu và nước.”

Paolo Gallo tại Đại học Rome Tre ở Italy cảm thấy ấn tượng với kết quả trên. “Nhóm này đã thành công trong việc đi quá giới hạn của sự chậm đông thu được trước đây,” bà nói. “Điều đó có nghĩa là trong tương lai chúng ta còn có thể tiến xa hơn. Có những lĩnh vực trong đó cái quan trọng là tránh sự kết tinh: một trong số này,  chẳng hạn, là sự bảo quản lạnh. Trong những trường hợp này, chẳng hạn, sự hòa tan có thể hữu ích, do đó biết được khối lượng riêng của nước chính xác bằng bao nheieu và cấu trúc nước chính xác như thế nào trong pha chậm đông là rất quan trọng.”

Alan Soper tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Anh thì cảm thấy ngạc nhiên và hơi hoài nghi. Ông lưu ý rằng cái khó cố hữu của việc đo nhiệt độ của các giọt chất lỏng khiến việc rút ra kết luận cụ thể là rất khó khăn, và ông cho biết sự tăng suất nén mà các nhà nghiên cứu ghi nhận được là rất nhỏ: “Nó chỉ là một sự tăng rất ít trong tán xạ và nó trải qua một loại cực đại nào đó... Rất có khả năng là nó chỉ chuyển vào pha trong đó nó sắp kết tinh và các phân tử đang sắp xếp lại để chúng có thể hình thành tinh thể,” ông nói. “Họ đã nhìn thấy rõ ràng thứ gì đó và nó rất thú vị,” ông kết luận. “Nhưng cái thật sự gây ra nó có lẽ là thứ chúng ta chưa có câu trả lời ngay được.”

Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Science.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Các bài khác


250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 62)
17/11/2019
Giả thuyết Tinh vân 1796 Immanuel Kant (1724–1804), Pierre-Simon Laplace (1749–1827) Trong hàng thế kỉ, các nhà khoa học đã giả
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 61)
17/11/2019
Định luật chất khí Charles 1787 Jacques Alexandre César Charles (1746-1823), Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) “Công việc của chúng ta
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 70)
16/11/2019
Lanthanum Lanthanum là nguyên tố đứng đầu dãy lanthanoid thường được neo bên dưới bảng tuần hoàn: một phiên bản dài đầy
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 69)
16/11/2019
Caesium Chỉ an toàn khi ngâm trong dầu, hoặc trong bình khí nitrogen hoặc khí trơ argon, caesium là một kim loại màu vàng nhạt dễ
Châu Âu đề xuất một phòng thí nghiệm sóng hấp dẫn khổng lồ dưới lòng đất
16/11/2019
Các nhà vật lí ở châu Âu vừa công khai các kế hoạch cho một đài quan trắc sóng hấp dẫn khổng lồ dưới lòng đất, nếu
Thí nghiệm tán xạ electron nghiêng về một bán kính proton nhỏ
15/11/2019
Trong gần một thập kỉ, vấn đề kích cỡ của proton, một hạt cấu thành vật chất nhìn thấy trong vũ trụ, vẫn gây tranh cãi
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 94)
14/11/2019
Các thuật toán lượng tử Thuật toán là một thủ tục tuần tự từng bước cho máy vi tính biết cách giải quyết một vấn
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 93)
14/11/2019
Kiểm soát các qubit Việc tách li các qubit của một máy tính lượng tử để tránh mất kết hợp đòi hỏi một số phương tiện

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com