Nước – Chất lỏng quen thuộc nhưng lại là vật chất kỳ quặc nhất trong vũ trụ

Chúng ta đều biết rất rõ về nước cùng những đặc tính của nó nhưng chẳng mấy ai nhận ra nhận ra những đặc tính vô cùng kỳ lạ và đặc biệt này, trong vũ trụ khó tìm được vật chất thứ 2 như thế này. 

Nhắc tới nước, chắc hẳn chẳng ai cảm thấy xa lạ gì bởi nó là một phần không thể thiếu trong cuộc sống thường ngày của con người. Đối với con người, nước là một vật chất vừa quen thuộc vừa kỳ lạ. Quen thuộc là nó chiếm 75% diện tích che phủ bề mặt Trái Đất, có hầu hết trong các sinh vật sống, ngay cả cơ thể con người chúng ta cũng được cấu thành từ nước, khoảng 70%. 

Nhưng bên cạnh những tứ quen thuộc đó, nước cũng có những đặc tính kỳ lạ mà cho tới nay những nhà khoa học vẫn chưa thể lý giải rõ ràng. 

Đầu tiên là khối lượng riêng của nước. Khi nhiệt độ giảm mạnh, hầu hết các chất lỏng đều co lại nhưng nước lại chỉ tuân theo quy luật này khi nhiệt độ vẫn còn lớn hơn 4^oC. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức này, nước lại đi ngược lại với quy luật thông thường là nóng nở ra, lạnh co lại; lúc này nước lại lạnh nở, nóng co; điều đó cũng có nghĩa là nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4^oC. Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác.

Điểm tiếp theo phải kể đến là đá. Khi cho đá lạnh vào trong nước, chúng ta thấy đá luôn luôn nổi trên bề mặt. Hiện tượng kỳ lạ này quá phổ biến trong cuộc sống nhưng ít ai biết được nguyên nhân vì sao. 

Ai cũng biết một chất ở thể rắn thông thường đều chìm khi thả vào nước, vì thế khi ta thả đá vào nước thì đáng nhẽ ra nó phải chìm chứ sao lại nổi như vậy? 

Không những vậy, nước có điểm sôi và sức căng bề mặt lớn hơn rất nhiều chất lỏng khác. Nó là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực, Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước. Vì thế, người ta thường gọi nước là “dung môi của vũ trụ”. 

Vậy điều gì đã tạo nên những đặc tính kỳ lạ trên?

Để tìm hiểu rõ hơn vấn đề này, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Bristol (Anh) và Đại học Tokyo (Nhật Bản) đã sử dụng một siêu máy tính để dựng lại mô hình phân tử nước. 

Họ phát hiện rằng khi ở nhiệt độ phòng, nước có cấu trúc tinh thể tứ diện. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết H – O là 104,45°), khi gặp lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng. 

Chính cách sắp xếp các nguyên tử theo hình kim tự tháp này cho phép nước có những khả năng mà hầu hết các chất lỏng khác không có.

Để kiểm chứng điều này, các nhà khoa học đã mô phỏng lại phân tử nước với nhiều cách sắp xếp khác nhau. Kết quả khi không còn cấu trúc kim tự tháp, nước sẽ mất hết những tính chất đặc biệt và trở thành một chất lỏng thông thường.

John Russo, trưởng nhóm nghiên cứu chia sẻ:

“Qua thí nghiệm này, chúng tôi biết rằng cấu trúc phân tử dạng tứ diện chính là nguyên nhân khiến nước có những đặc tính khác với những chất lỏng khác trong tự nhiên.

Hi vọng kết quả của dự án nghiên cứu sẽ giúp chúng ta có thể lý giải thêm những bí ẩn về nước.”

Sơn Tùng