Khám phá mới về chuyển động của phân tử nước

Một cách tiếp cận mới để nghiên cứu độ nhớt của nước đã cho thấy những hiểu biết mới về hành vi của các phân tử nước và có thể mở ra con đường cho các thiết bị điện tử có sử dụng chất lỏng.

Độ nhớt của một chất lưu là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Khi các dòng chất lưu sát kề có tốc độ chuyển động khác nhau, ngoài sự va đập giữa các phần tử vật chất còn có sự trao đổi xung lượng giữa chúng. Những phần tử trong dòng chảy có tốc độ cao sẽ làm tăng động năng của dòng có tốc độ chậm và ngược lại phần tử vật chất từ các dòng chảy chậm sẽ làm kìm hãm chuyển động của dòng chảy nhanh. Kết quả là giữa các lớp này xuất hiện một ứng suất tiếp tuyến gây nên ma sát (lực ma sát trong) – theo Wikipedia.

Theo Phys, Một nhóm các nhà nghiên cứu do Phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Oak Ridge sử dụng một kỹ thuật tán xạ tia X có độ phân giải cao để đo liên kết chặt chẽ liên quan đến một nguyên tử hydro nằm kẹp giữa hai nguyên tử oxy. Liên kết hydro này là một hiện tượng cơ lượng tử chịu trách nhiệm về các tính chất khác nhau của nước, kể cả độ nhớt – nó xác định khả năng chịu nước của chất lỏng hoặc thay đổi hình dạng.

Nước là chất dồi dào nhất trên thế giới nhưng hoạt động của nó ở cấp độ phân tử vẫn chưa được hiểu rõ.

Takeshi Egami, nhà khoa học nổi tiếng thuộc trường Đại học Tennessee-ORNL, cho biết: "Chúng ta cần hiểu rõ hơn về nước để mở ra tiềm năng to lớn của nó, đặc biệt trong công nghệ thông tin và năng lượng".

Công trình của nhóm nghiên cứu được công bố trong tạp chí Science Advances, đã chứng minh rằng có thể thăm dò được sự năng động của nước và các chất lỏng khác trong thời gian thực. Các nghiên cứu trước đây đã cung cấp những bức ảnh chụp cấu trúc nguyên tử của nước, nhưng ít ai biết được các phân tử nước di chuyển như thế nào.

Egami nói: "Liên kết hydro có tác động mạnh đến tương quan năng động giữa các phân tử khi chúng di chuyển qua không gian và thời gian. Nhưng cho đến nay, dữ liệu chủ yếu là quang phổ laze quang học, mang lại kết quả rộng hoặc" mơ hồ "với độ chi tiết thấp".

Để có một bức tranh rõ nét hơn, nhóm ORNL-UT đã sử dụng một kỹ thuật X-ray tiên tiến được gọi là tán xạ tia X không đàn hồi để xác định chuyển động phân tử. Họ phát hiện ra rằng sự năng động của sự liên kết oxy với oxy giữa các phân tử nước không ngẫu nhiên nhưng có sự phối hợp cao. Khi mối liên kết giữa các phân tử nước bị gián đoạn, các liên kết hydro mạnh sẽ duy trì một môi trường ổn định trong một khoảng thời gian nhất định.

Egami cho biết: "Chúng tôi thấy rằng khoảng thời gian cần thiết cho một phân tử để thay đổi phân tử hàng xóm của nó sẽ xác định độ nhớt của nước". Khám phá mới này sẽ kích thích các nghiên cứu tiếp theo về kiểm soát độ nhớt của các chất lỏng khác.

Egami xem công việc hiện tại như là một bàn đạp để nghiên cứu sâu hơn nhằm thúc đẩy các kỹ thuật tán xạ neutron. Cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để mô tả hành vi phân tử và độ nhớt của chất lỏng ionic, muối và các chất lỏng khác, giúp phát triển các loại thiết bị bán dẫn mới với lớp cách điện chất lỏng, pin tốt hơn và chất bôi trơn được cải thiện.