Phát hiện loại băng mới chưa từng thấy có thể làm thay đổi hiểu biết về nước

Các nhà nghiên cứu tại Đại học UCL và Cambrige đã phát hiện loại băng mới chưa từng thấy có thể làm sáng tỏ những bí ẩn và thay đổi hiểu biết của chúng ta về nước từ trước tới nay. Khám phá của họ đã được công bố trên tạp chí danh tiếng Science Magazine.

Loại băng mới được phát hiện này là medium-density amorphous ice (MDA), tức là băng vô định hình (các phân tử nước vô tổ chức, không được sắp xếp gọn gàng trật tự như băng kết tinh thông thường), có mật độ trung bình (khác với 2 loại băng vô định hình đã biết là mật độ thấp và mật độ cao) và cấu trúc gần giống với nước ở thể lỏng hơn bất kỳ loại băng nào khác đã biết.

“MDA không phải dạng kết tinh như băng thông thường và có mật độ giống như nước lỏng, vì vậy nó đặt một câu hỏi lớn: thứ này là gì?”, Salzmann-nhà khoa học tại ĐH UCL nói thêm. “Tôi tin rằng nếu có thể tìm ra MDA là gì, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về nước ở thể lỏng”.

Để giúp bạn dễ hình dung hơn, thông thường băng đá sẽ nổi trên nước vì chúng nhẹ hơn hay ít đậm đặc hơn (1 tính chất khác thường đối với tinh thể). Nếu bạn có thể thả viên đá bằng loại băng mới phát hiện này vào cốc của mình mà không làm nó tan chảy ngay lập tức, thì kỳ lạ thay nó sẽ lắc lư xung quanh, không nổi cũng không chìm?.

Băng vô định hình lần đầu tiên được phát hiện ở dạng mật độ thấp vào những năm 1930 khi các nhà khoa học ngưng tụ hơi nước trên bề mặt kim loại được làm lạnh đến -110 độ C. Trạng thái mật độ cao của nó được phát hiện vào những năm 1980 khi băng thông thường được nén ở nhiệt độ gần -200 độ C. Mặc dù phổ biến trong không gian như sao chổi là khối băng vô định hình mật độ thấp, nhưng trên Trái đất thì rất hiếm, băng vô định hình được cho là chỉ xuất hiện ở tầng trên lạnh giá của bầu khí quyển. Đó là bởi vì trong môi trường lạnh hơn của không gian vũ trụ, băng không có đủ năng lượng nhiệt để hình thành các tinh thể.

Nhưng để có thể tạo ra loại băng mới này trên Trái Đất, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật đơn giản đến kinh ngạc. Được gọi là nghiền bi, bằng cách lắc một thùng chứa đá có chứa các quả bóng bằng thép không gỉ, được làm lạnh bằng Nito lỏng đến 77 kelvins (gần –200°C). Salzmann-nhà khoa học của ĐH UCL cho biết cho biết các quả bóng kim loại tạo ra một ‘lực cắt’ trên băng, phá vỡ nó thành một loại bột trắng.

Sau đó, để biết tính chất và cấu trúc của mẫu băng mới này có phải là loại băng vô định hình mà các nhà nghiên cứu đang nghi ngờ hay không thì họ đã kết hợp sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau bao gồm nhiễu xạ tia X, phổ Raman và đặc biệt là tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) được dùng để đo trực tiếp cấu trúc của nó ở nhiệt độ cực thấp. Và dùng các mô phỏng trên máy tính mô phỏng tác động của quá trình nghiền bi tiết lộ rằng một cấu trúc hỗn độn có thể được tạo ra bởi các lớp băng trượt qua nhau theo các hướng ngẫu nhiên, để phản ứng lại các lực do các quả bóng tác dụng.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đo nhiệt lượng để nghiên cứu nhiệt lượng tỏa ra khi băng có mật độ trung bình kết tinh lại ở nhiệt độ ấm hơn. Họ phát hiện ra rằng, nếu họ nén MDA và sau đó làm nóng nó, nó sẽ giải phóng một lượng năng lượng lớn đáng ngạc nhiên khi nó kết tinh lại, cho thấy rằng H2O có thể là một vật liệu địa vật lý năng lượng cao có thể thúc đẩy các chuyển động kiến tạo trong các mặt trăng băng giá của hệ mặt trời.

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp
Science paper: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq2105
Nguồn tham khảo:
-UCL website: https://www.ucl.ac.uk/news/2023/feb/discovery-new-ice-may-change-understanding-water
-Nature news: https://www.nature.com/articles/d41586-023-00293-w
-ScienceNews: https://www.sciencenews.org/article/water-ice-amorphous-physics-chemistry
-Phys.org: https://phys.org/news/2023-02-discovery-ice.html
-The Times: https://www.thetimes.co.uk/article/cheers-ice-in-your-g-t-could-be-a-clue-to-life-on-other-planets-qdbzgbfhx
-Xenocs SAXSLAB Ganesha 300XL at UCL: https://www.ucl.ac.uk/nature-inspired-engineering/smallwide-angle-x-ray-scattering-saxswaxs-ganesha-300xl-saxslab