Thêm bằng chứng cho giả thuyết mới về nước

Theo các bằng chứng thí nghiệm mới do sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford thuộc Khoa Năng lượng California, RIKEN Spring-8 synchrotron, cùng với ĐH Hiroshima – Nhật và ĐH Stockholm – Thụy Điển, bức tranh truyền thống về cấu trúc của nước thể lỏng ở cấp độ phân tử đã sai.

Nhóm nghiên cứu trong đó có nhà khoa học SLAC Anders Nilssonđã sử dụng các kỹ thuật quang phổ học tia X tiên tiến để cho ra những hiểu biết cặn kẽ hơn về hành vi phân tử nước. Được đăng tải trên trang bìa của ấn bản ngày 30 tháng 6 tờ Chemical Physics Letters, những phát hiện này có thể sẽ lật đổ tính chính thống từ lâu xung quanh hợp chất quan trọng nhất của sự sống.

Nước ở bất cứ dạng nào cũng là một chất kỳ lạ. Nó không giống như bất kỳ chất lỏng nào khác. Nó có khả năng mang nhiệt vô cùng lớn – đó là lý do Gulf Stream giữ cho châu Âu ấm áp. Thể rắn của nước là đá thì nhẹ hơn nước nên đá nổi. Sự sống trên trái đất có lẽ không thể hình thành nếu các đại dương và hồ bị đông từ đáy lên. Nước cũng có sức căng bề mặt lớn bất thường – một đặc tính cần thiết cho các ống mao dẫn hoạt động ở rễ cây và bên trong tế bào. Những đặc tính lạ này khiến cho nước trở thành chất vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại của sự sống.

Mặc dù nước phổ biến và quan trọng, người ta vẫn chưa hoàn toàn hiểu rõ nó, và cấu trúc phân tử của nó đã là chủ đề của các cuộc tranh luận căng thẳng trong nhiều thập kỷ. Đá có cấu trúc được thiết lập rõ từ lâu, hình thành một lưới mắt cáo tứ diện chặt chẽ gồm các phân tử gắn chặt với 4 phân tử khác. Mô hình của nước vẫn giữ nguyên khi đá tan ra, các phân tử nới lỏng mạng lưới của nó nhưng nhìn chung vẫn sắp xếp theo cùng các nhóm tứ diện.

Trong nghiên cứu gần đây, Nilsson và các cộng sự khảo sát cấu trúc của nước thể lỏng với Quang phổ phát tia X và Quang phổ hấp thụ tia X. Những kỹ thuật này sử dụng các tia X mạnh, do nguồn sáng synchrotron sinh ra, để kích thích các electron bên trong nguyên tử oxy đơn của phân tử nước. Điều chỉnh tia X lên tầng năng lượng cụ thể có thể tiết lộ vị trí và sự sắp xếp của các phân tử nước với độ chính xác cao. Bằng cách này, nhóm của Nilsson phát hiện rằng nước thực sự được cấu tạo từ các nhóm tứ diện, nhưng các bằng chứng rõ nét về sự hiện diện của một cấu trúc thứ hai, ít rõ ràng hơn cũng xuất hiện.

Ý tưởng rằng nước thể lỏng có cấu tạo từ hai cấu trúc không phải là mới. Nhà vật lý học người Đức Willhelm Conrad Röntgen, người phát hiện ra tia X vào cuối thế kỷ 19, xuất bản một công trình cho rằng nước thể lỏng chứa 2 cấu trúc riêng biệt – một cấu trúc tứ diện như khi ở dạng băng và một cấu trúc sắp xếp lỏng lẻo hơn, có thể giúp giải thích vì sao nước là một hợp chất lạ lùng đến thế. Hiện nay, sau một thế kỷ, nghiên cứu hiện tại đang hồi sinh mô hình “hai cấu trúc” của Röntgen.

Theo Nilsson: “Thật đáng ngạc nhiên là cách sử dụng hiện đại của tia X đã chứng minh được rằng Röntgen, cách đây hơn 100 năm, đã đi đúng hướng. Nước vẫn chưa hoàn toàn được thấu hiểu, mặc dù nó là nền tảng cho sự tồn tại của chúng ta. Tôi hy vọng sẽ khám phá được nhiều điều ngạc nhiên hơn trong tương lai.”

Kết thúc tranh luận về cấu trúc phân tử nước đóng vai trò quan trọng đối với nhiều lĩnh vực như y học, hóa học và sinh vật. Các mô hình động học phân tử hiện đại, được dùng để hiểu rõ các quá trình hóa học và sinh học, bị giới hạn trong khả năng dự đoán hành vi của nước.

Công trình hiện đại là công trình gần đây nhất trong các chứng cứ ngày càng tăng đối với một lý thuyết mới về cấu trúc của nước lỏng. Năm 2004, Nilsson và các cộng sự đã dấy lên tranh luận trong bài nghiên cứu đăng trên tờ Science cho rằng mô hình tứ diện của nước là không đúng. Nilsson đồng ý tranh luận này còn lâu mới kết thúc và còn rất nhiều điều phải làm trước khi xác định chính xác tính chất của nước thể lỏng.

Theo Giám đốc Phòng thí nghiệm phóng xạ synchrotron Jo Stöhr: “Trong thập kỷ gần đây nhất chúng ta đã phát hiện ra rằng các loại vật chất được xem như thuần nhất biểu hiện trật tự nano phức tạp. Theo quan điểm của tôi, công trình về nước là một ví dụ nữa về tính phức tạp thật sự của vật chất, lần này là đối với một chất lỏng đơn giản. Công trình tia X hiện đại dường như đem lại hiểu biết hoàn toàn mới về các chất lỏng và chúng ta có lẽ mới chỉ thấy sự bắt đầu của một quá trình chuyển đổi mô hình trong hiểu biết hiện tại.”