Mỗi ngụm nước bạn uống đều ẩn chứa 5 bí ẩn chưa được giải đáp!

Đức Khương , Theo Trí Thức Trẻ

Nước rất phổ biến, và nó là phân tử phổ biến thứ ba trong vũ trụ, tuy nhiên nó lại có những đặc tính mà tới nay khoa học vẫn chưa thể giải quyết được.

1. Có bao nhiêu loại nước đá?

Theo thống kê mới nhất, nước rắn có 17 dạng tinh thể khác nhau. Tuy nhiên, bên ngoài các phòng thí nghiệm, chỉ có loại băng Ih thường được tìm thấy trên Trái Đất. Dạng băng kết tinh thứ hai là loại Ic , xuất hiện với lượng nhỏ ở tầng trên của khí quyển, trong khi 15 dạng băng khác chỉ xuất hiện dưới áp suất rất cao - cũng có một lượng lớn băng trong không gian giữa các vì sao, nhưng chúng thường bị đóng băng trên các hạt bụi ở trạng thái vô định hình.

Nhiều dạng băng kết tinh như vậy bắt nguồn từ mạng lưới tứ diện giữa các phân tử nước, được cấu tạo bởi các liên kết hydro bền vững giữa các phân tử nước liền kề. Trong giai đoạn ngưng tụ của nước, mỗi phân tử nước tối ưu hóa khả năng hình thành liên kết hydro càng nhiều càng tốt, để tạo thành bốn liên kết hydro theo hướng của góc liên kết gần tứ diện. Các liên kết hydro bên trong băng Ih tạo thành một cấu trúc ba chiều mở với mật độ thấp.

Mỗi ngụm nước bạn uống đều ẩn chứa 5 bí ẩn chưa được giải đáp! - Ảnh 1.

Việc tác dụng áp lực lên các vật liệu tứ diện bao gồm băng tinh thể, cacbon nguyên tố, silic và phốt pho có thể làm sụp đổ thể rắn tỷ trọng thấp để tạo thành một loạt cấu trúc mới với mật độ tăng dần, điều này tạo thành 17 dạng băng tinh thể khác nhau của nước đá mà chúng ta đã quan sát được cho đến nay. Nhưng trong tương lai, số lượng cụ thể của các tinh thể nước đá là bao nhiêu thì cho tới nay vẫn chưa thể dự đoán được.

2. Có 2 loại nước lỏng?

Nhiều thập kỷ trước, các nhà khoa học Nhật Bản tuyên bố rằng họ đã quan sát thấy sự chuyển đổi hai pha của băng vô định hình dưới áp suất cao. Vì nước đá vô định hình về bản chất là dạng đông lạnh của chất lỏng tương ứng, hai pha của nước đá vô định hình có nghĩa là phải có hai loại nước lỏng.

Các mô phỏng sau đó cũng hỗ trợ suy luận này. Tuy nhiên, một số nhà khoa học cho rằng những kết quả này là do con người tạo ra. Và theo các nguyên tắc của cơ học thống kê, sự chuyển đổi này khó có thể xảy ra.

3. Làm thế nào để nước bay hơi?

Tốc độ bay hơi của nước lỏng là một trong những yếu tố không chắc chắn trong các mô hình khí hậu hiện đại. Nó xác định sự phân bố kích thước của các giọt nước trong đám mây, và kích thước của các giọt nước lần lượt xác định cách đám mây phản xạ, hấp thụ và tán xạ ánh sáng.

Tuy nhiên, cơ chế chính xác của sự bay hơi nước vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Tốc độ bay hơi thường được biểu thị bằng: tốc độ va chạm giữa các phân tử nhân với hệ số hiệu chỉnh, còn được gọi là hệ số bay hơi, thay đổi trong khoảng từ 0 đến 1. Trong một vài thập kỷ, giá trị đo được bằng thực nghiệm của hệ số này đã thay đổi hơn 3 bậc của độ lớn. Quá trình tính toán lý thuyết của hệ số này cũng gặp trở ngại, quá trình này đòi hỏi một lượng lớn tính toán và thời gian mô phỏng lâu dài.

David Chandler của Đại học California, Berkeley và các đồng nghiệp đã sử dụng một lý thuyết có thể mô tả hiện tượng này, đó là lấy mẫu đường chuyển tiếp, để tính toán hệ số bay hơi của nước. Họ đã đưa ra một giá trị gần bằng 1. Điều này có thể so sánh với kết quả của thí nghiệm vi tia lỏng gần đây, trong đó hệ số bay hơi của nước thường và nước nặng đều là 0,6.

Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề chưa được giải quyết. Trước hết, vẫn chưa rõ tại sao các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện tương đương với áp suất khí quyển lại mang lại giá trị thấp hơn nhiều so với bên ngoài tự nhiên. Ngoài ra, lý thuyết mô phỏng lấy mẫu đường chuyển tiếp cho thấy bản chất của sự bay hơi nằm ở một sóng mao dẫn lớn bất thường, di chuyển theo hướng vuông góc với bề mặt chất lỏng, làm kéo dài liên kết hydro kết nối với các phân tử nước bị bay hơi, do đó làm suy yếu sức mạnh của các liên kết hydro này cho phép các phân tử nước thoát khỏi sự liên kết giữa nhau và bay hơi. Thêm muối vào nước sẽ làm tăng sức căng bề mặt, do đó triệt tiêu biên độ của sóng mao dẫn, làm giảm tốc độ bay hơi. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy việc bổ sung muối hầu như không ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi.

4. Bề mặt của nước có tính axit hay kiềm?

Một điều bất thường về sương mù bao quanh thác Niagara là chúng giống như một vật mang điện tích âm có thể di chuyển được.Bề mặt của giọt hydroxit tập hợp các ion mang điện tích âm (OH - ), có nghĩa là bề mặt giọt có tính kiềm, giá trị pH lớn hơn 7. Trên thực tế, trong lĩnh vực khoa học chất keo, ý tưởng này đã trở thành một "sự thật" mặc định.

Bề mặt của nước lỏng chứa rất nhiều liên kết hydro bị đứt gãy nên môi trường hóa học của bề mặt hoàn toàn khác với dạng khối (không có liên kết hóa học bị đứt gãy). Một số nghiên cứu thực nghiệm và tính toán gần đây đã chỉ ra rằng bề mặt của nước lỏng có thể bị chi phối bởi các ion hydro (H + ) thay vì các ion âm hydroxit thường được xem xét trong khoa học keo, tạo ra tính axit (giá trị pH nhỏ hơn 7) .

Nhiều quá trình quan trọng trong hóa học và sinh học, chẳng hạn như trao đổi sol khí-khí trong khí quyển, xúc tác enzyme và vận chuyển proton xuyên màng, tất cả đều liên quan đến sự trao đổi proton trên bề mặt nước và phụ thuộc trực tiếp vào giá trị pH của bề mặt nước, nhưng nó hiện vẫn là giá trị không xác định.

5. Sự khác biệt giữa Nano Water là gì?

Không phải lúc nào nước cũng chảy trong đại dương. Cho dù trong tự nhiên hay trong các thiết bị do con người tạo ra, nước có thể bị giới hạn trong những không gian nhỏ không thể tưởng tượng được, chẳng hạn như các mixen ngược, ống nano cacbon, màng trao đổi proton và xerogel (một chất rắn thủy tinh xốp).

Trong không gian nhỏ bé chỉ vài trăm phân tử, các phân tử nước bị giới hạn bởi "bức tường" rắn bắt đầu thể hiện các hiệu ứng cơ lượng tử, bao gồm tính rời rạc và liên kết lượng tử, hoàn toàn khác với tính chất của các phân tử nước số lượng lớn. Những đặc tính cơ học lượng tử độc đáo này có ảnh hưởng sâu rộng, từ tế bào sinh học đến cấu trúc địa chất. Hiện tượng này cũng có thể có giá trị ứng dụng thực tế đáng kể, chẳng hạn như thiết kế hệ thống khử muối (loại bỏ anion và cation trong nước) hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, các kết quả hiện tại vẫn còn hơi mơ hồ, và các nhà khoa học cần phải làm nhiều hơn nữa để xác định bản chất của các phân tử nước trong các điều kiện hạn chế.