Nghiên cứu mới làm thay đổi nhận thức của chúng ta về băng tuyết

Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một sự thật vô cùng bất ngờ về quá trình đóng băng của nước. Đó chính là nhiệt độ.

Khi nước chuyển thành thành băng nghĩa là các phân tử nước đang chuyển động tự do bắt đầu ngừng chuyển động, hình thành các tinh thể băng, các phân tử băng liên kết với nhau tạo thành một khối có kích thước lớn. Nhưng, đều bất ngờ là chúng cần một chút nhiệt để làm như vậy.

Nghe có vẻ phi logic, nhưng để nước đóng băng cần phải có sự xuất hiện của nhiệt. Nghiên cứu mới này được công bố vào thứ Ba (25/5) trên tạp chí Nature Communications. Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã phóng to chuyển động của các phân tử nước riêng lẻ đang lắng đọng trên bề mặt graphene lạnh. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật tạo tiếng vang mới, nó được tạo ra từ sự di chuyển không ngừng của các phân tử heli (spin - echo helium).

Đây lần đầu tiên tại Đại học Cambridge ứng dụng kỹ thuật này vào nghiên cứu, họ đã bắn một chùm nguyên tử heli vào các phân tử nước sau đó theo dõi cách các nguyên tử heli đó phân tán khi chúng đâm vào lớp băng đang hình thành.

Quá trình này diễn ra với tốc độ kinh ngạc chỉ trong vòng một phần tỷ giây.

Anton Tamtögl, nghiên cứu tại Viện Vật lý Thực nghiệm thuộc Đại học Công nghệ Graz, cho biết: "Kỹ thuật này hoạt động tương tự như máy dò radar". Tuy nhiên, ở quy mô nguyên tử, đây giống như một cái bẫy radar dành cho các phân tử. Phương pháp này không chỉ cho phép các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu từ nguyên tử mà còn giúp họ ghi lại các quá trình đầu tiên của việc hình thành băng, quá trình này được gọi là "tạo mầm" hay "kết tinh".

Quá trình này diễn ra với tốc độ kinh ngạc chỉ trong vòng một phần tỷ giây. Tuy nhiên, các nghiên cứu về sự hình thành băng tập trung vào khoảng thời gian ngay sau khi hình thành các tinh thể, tức khoảng thời gian các tinh thể đã hình thành và bắt đầu hợp nhất tạo nên một loại màng dày xung quanh.

Kính hiển vi thông thường không thể nắm bắt được những gì xảy ra khi bắt đầu hình thành tạo mầm. Các thiết bị không đủ khả năng theo kịp tốc độ của các phân tử nước. Các nhà khoa học làm chậm chuyển động của các phân tử này bằng cách thêm nitơ lỏng và hạ nhiệt độ xuống khoảng âm âm 250 độ C. Nhưng để quan sát được quá trình đóng băng thì bạn cần phải sử dụng "spin-echo".

Trong các thí nghiệm, Tamtögl và nhóm nghiên cứu đã làm lạnh bề mặt graphene từ âm 173 độ C đến âm 143 độ C đồng thời áp dụng thêm spin-echo từ các phân tử heli vào các phân tử nước đang lắng đọng trên graphene. "Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là các tương tác đẩy từ các phân tử nước "không ưa nhau", chúng vẫn duy trì một khoảng cách nhất định trước khi liên kết để tạo thành khối băng" - ông nói.

Để quan sát được quá trình đóng băng thì bạn cần phải sử dụng "spin-echo".

Tamtögl nhận xét: "các phân tử phải vượt qua rào cản này trước khi chúng có thể hình thành nên những khối băng khổng lồ". Để hiểu rõ hơn về bản chất của việc "giữ khoảng cách" và cách các phân tử vượt qua chúng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các mô hình tính toán để xác định tương tác của các phân tử nước trong các cấu hình khác nhau.

Những mô hình này tiết lộ rằng khi được đặt trên graphene lạnh, các phân tử nước đều di chuyển theo cùng một hướng. Khi các phân tử nước này tụ lại với nhau sẽ tạo ra một khoảng trống giữa các phân tử. Để liên kết thành các tinh thể băng, các phân tử phải nhích lại gần hơn và phải thay đổi hướng di chuyển. Chính quá trình này tạo nên rào cản làm chúng tiêu tốn năng lượng hơn.

Bằng cách bổ sung thêm năng lượng dưới dạng nhiệt cho các phân tử, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các phân tử nước có thể định hướng lại và tạo thành hạt nhân nhanh hơn, đồng nghĩa với việc tạo thành băng nhanh hơn.

Tamtögl và các đồng nghiệp của ông dự định nghiên cứu xem liệu sự hình thành hạt nhân có giống nhau trên các loại bề mặt hay không. Ví dụ, bề mặt "graphene trắng" có cấu trúc tương tự như graphene bình thường nhưng chúng tạo liên kết mạnh hơn với các phân tử nước, vì vậy quá trình tạo mầm có thể diễn ra chậm hơn hoặc ngược lại. Tuy nhiện, vẫn cần thêm thời gian và các nghiên cứu khác để chúng ta có thể hiểu về chúng một cách chi tiết hơn bất kể nước là một phân tử phổ biến và rất đơn giản nhất.