Làm sao để nước có thể ‘đóng băng’ ở 100 độ C?

Các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra các trạng thái “đóng băng” đáng kinh ngạc của nước khi bị giới hạn trong các ống nano cacbon.

Khi nước ở thể lỏng và bị giới hạn trong các ống nano cacbon, nó có một số đặc tính mới rất tuyệt vời. Các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng nước bị bẫy trong các cống nano có thể “đóng băng” tại nhiệt độ khiến cho nó sôi ở trạng thái bình thường. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy điểm sôi và đóng băng của nước thay đổi khi nó bị giới hạn trong các không gian nhỏ, nhưng sự thay đổi nhiệt độ thường chỉ dao động ở mức 10 độ C. Nghiên cứu mới với ống cacbon đã thực sự thay đổi điều này.

Trạng thái của nước thay đổi lớn khi bị giới hạn trong các không gian nhỏ

Các ống cacbon nano là các cấu trúc dạng ống có đường kính ở kích thước nano mét, tương ứng với 1 phần tỉ mét hoặc nhỏ bằng 1 phần 10.000 sợi tóc người. Các ống cacbon được sử dụng trong thí nghiệm của MIT có đường kính lớn hơn chút xíu so với độ rộng một vài phân tử nước. Thí nghiệm cho thấy nước được giới hạn trong các ống cacbon có thể ở trạng thái “đóng băng” ở nhiệt độ lên đến 105 độ C, thậm chí lên đến 151 độ C. Khám phá có thể dẫn đến các phát minh mới như sợi “dây băng” có các đặc tính đặc biệt về điện và nhiệt của băng nhưng ổn định ở nhiệt độ phòng.

Để hiểu rõ hơn vì sao các phân tử nước có trạng thái như vậy khi bị bẫy trong không gian nhỏ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các ống nano cacbon có kích thước khác nhau, họ lưu ý rằng chỉ một khác biệt rất nhỏ về kích thước cũng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ của điểm chuyển trạng thái của nước. Các ống nano có kích thước từ 1,05nm đến 1,06nm dẫn đến sự khác biệt tới 10 độ C xung quanh điểm “đóng băng”, điều này làm nhóm nghiên cứu rất ngạc nhiên.

Giáo sư Michael Strano tại Trường hóa học, Viện công nghệ MIT, một trong năm người tham gia nhóm nghiên cứu cho biết. “Nếu bạn giới hạn các chất lỏng trong một thể tích kích thước nano, bạn có thể thay đổi trạng thái biểu hiện của chúng”, ông nói. “Hiệu quả mang lại lớn hơn nhiều so với những điều người ta tưởng tượng”.

Nước ở thể rắn nhưng không phải trạng thái đóng băng bình thường

Giáo sư Strano và nhóm của ông đã sử dụng hệ thống kính hiển vi quan sát hình ảnh có độ nhạy cao trang bị công nghệ quang phổ rung động, có thể quan sát các chuyển động của nước trong các ống nano, điều này khiến cho trạng thái của nước có thể được quan sát và đo lường chi tiết.

Nhóm nghiên cứu có thể phát hiện không chỉ sự xuất hiện của nước trong các ống, mà còn có thể quan sát trạng thái của chúng. Ông nói: “Chúng tôi có thể nói rằng nó đang bốc hơi hay đang ở thể lỏng, và chúng tôi cũng có thể biết nếu nó đang ở trạng thái rắn”.

Mặc dù nước thực sự ở trạng thái rắn, nhóm nghiên cứu tránh gọi chúng là “băng” bởi vì thuật ngữ này ám chỉ một dạng cấu trúc tinh thể, điều mà họ chưa thể chứng minh trong khoảng không giới hạn này. “Nó không nhất định là băng, nhưng nó là một trạng thái giống-như-băng”, Strano nói.

a) Mô phỏng các ống nano với các kích thước khác nhau được sử dụng cho thí nghiệm; b) Ảnh thu được từ hệ thống kính hiển vi quang phổ rung động khi quan sát các trạng thái của nước trong 6 ống nano khác nhau. Vạch đen là thời điểm nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, vạch trắng là thời điểm nước chuyển từ trạng thái lỏng sang bốc hơi tương ứng với các nhiệt độ và kích thước ống khác nhau; giá trị wavenumber (cm^-1) tương ứng với các bước sóng nm được sử dụng để quan sát trong kính hiển vi (x nm = 10,000,000 / x cm^–1) (ảnh: nature.com)

Vì nước ở trạng thái rắn được tạo ra theo cách này không tan chảy cho đến khi nhiệt độ ở trên điểm sôi bình thường, nó có thể duy trì ổn định ở điều kiện nhiệt độ phòng. Điều này khiến cho nó có tiềm năng trở thành loại vật liệu hữu dụng cho các ứng dụng khác nhau.

Ví dụ, chúng ta có thể tạo ra các “dây băng” – loại dây dẫn proton tốt nhất được biết đến, vì nước có thể dẫn các proton ở tốc độ cao hơn 10 lần so với các loại vật liệu dẫn điện khác. “Điều này mang đến cho chúng ta loại dây dẫn nước ổn định tại nhiệt độ phòng”, ông Strano nói.

Kết quả nghiên cứu này được đăng trên tờ Công nghệ Nano của tạp chí Nature.

Theo Inhabitant, Atlas, MIT news
Thiện Tâm tổng hợp

Xem thêm: