Nước bao phủ khoảng 70% bề mặt Trái Đất và chiếm chừng 60% khối lượng cơ thể người, nhưng đối với giới khoa học, hợp chất thiết yếu này vẫn luôn là một ẩn số kỳ lạ với nhiều đặc tính dị thường.
Tương tự như hình tượng hai mặt Jekyll và Hyde trong văn học, nước khi gặp nhiệt độ thấp thường kết tinh thành các khối băng đá cứng cáp quen thuộc.
Tuy nhiên, nó còn có một bộ mặt khác ít người biết đến: "nước dạng thủy tinh" với cấu trúc phân tử vô định hình và hoàn toàn hỗn loạn.
Dạng thù hình đặc biệt này từng được tìm thấy trong các đám mây tầng bình lưu ở vùng cực, đồng thời là chiếc khiên bảo vệ giúp các sinh vật ưa lạnh tránh khỏi sự phá hủy tế bào do tinh thể băng sắc nhọn gây ra giữa môi trường lạnh giá thấu xương.
' %2F%3E%3C%2Fsvg%3E)
Mặc dù vậy, sự chuyển đổi bí ẩn từ thể lỏng sang thể thủy tinh của nước từ trước đến nay vẫn gần như vô hình trước mọi kỹ thuật quan sát tân tiến nhất.
Thông thường, khi đóng băng, nước sẽ hình thành các tinh thể liên kết chặt chẽ theo một trật tự cố định. Hiện tượng kết tinh này xảy ra ở nhiệt độ xuống tới khoảng -45 độ C.
Thấp hơn ranh giới đó là một vùng nhiệt độ bí hiểm và hoang vu mà giới nghiên cứu gọi là "vùng đất không người". Giới khoa học từng tin rằng quá trình hóa thủy tinh của nước khối diễn ra ở ngưỡng nhiệt cực thấp, khoảng -135 độ C.
Thế nhưng, tốc độ hình thành quá nhanh của các tinh thể băng đá thông thường đã liên tục che khuất tầm nhìn, ngăn cản các nhà nghiên cứu tiếp cận được khoảnh khắc chuyển pha kỳ lạ này.
Để giải quyết bài toán hóc búa, một nghiên cứu đột phá vừa được công bố trên tạp chí Nature Communications đã tìm ra giải pháp dựa trên chính cơ chế của tự nhiên.
Nhóm các nhà vật lý do chuyên gia Raffaele Mezzenga tại ETH Zurich dẫn đầu, phối hợp cùng các nhà khoa học thuộc Tổ chức Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Australia (ANSTO), đã bẫy một lượng nước siêu nhỏ - chỉ dày vài phân tử, tương đương chưa đầy một phần tỷ mét - kẹp giữa hai lớp màng lipid.
Lớp màng này được tạo thành từ một biến thể phytantriol "trong suốt" đặc biệt, vốn là một phân tử rượu béo có khả năng duy trì cấu trúc ổn định và trạng thái lỏng ngay cả trong điều kiện nhiệt độ hạ rất sâu.
Khi bị nhốt trong không gian hạn chế ở quy mô nano, nước hoàn toàn không thể kết tinh thành băng, giúp các nhà khoa học lần đầu tiên có cơ hội theo dõi tường tận quá trình chuyển dịch sang thể thủy tinh.
' %2F%3E%3C%2Fsvg%3E)
Để theo dõi hành vi của nước ở thang đo dưới nanomet, các nhà nghiên cứu đã kết hợp mô hình tính toán với hàng loạt thiết bị dò tìm nguyên tử tối tân. Một trong những mũi nhọn quan sát là hệ thống chùm tia tán xạ tia X góc nhỏ và góc rộng (SAXS/WAXS) của ANSTO, sử dụng nguồn tia X cường độ cao từ máy gia tốc hạt synchrotron nhằm lập bản đồ cấu trúc của lượng nước bị giam hãm.
Song song đó, hai máy quang phổ Emu và Pelican đặt tại Trung tâm Tán xạ Neutron Australia được huy động để phát hiện các dao động phân tử và vạch trần chuyển động của nguyên tử hydro.
Nhà khoa học vận hành thiết bị Alice Klapproth tại ANSTO cho biết, tín hiệu neutron ghi nhận được bị chi phối chủ yếu bởi chuyển động của các nguyên tử hydro, nhờ đó nhóm nghiên cứu có thể đo lường một cách chọn lọc các chuyển động động lực học của nước ngay giữa một khung mạng lưới mềm phức tạp.
Kết quả thực nghiệm đã đem lại sự ngỡ ngàng lớn cho giới chuyên môn khi cho thấy quá trình hóa thủy tinh diễn ra ở một dải nhiệt độ rộng và cao hơn rất nhiều so với mọi giả định trước đây.
Dữ liệu ghi nhận sự suy giảm động lực học của nước bị giam hãm bắt đầu xuất hiện trong khoảng nhiệt độ từ -63 đến -20 độ C, được khảo sát xuyên suốt sáu bậc quy mô thời gian, từ một phần triệu cho đến một phần nghìn tỷ giây.
Đặc biệt, bước ngoặt kịch tính xảy ra ở khoảng -35 đến -21 độ C khi các phân tử nước đột ngột chuyển động chậm chạp. Đến ngưỡng -74 đến -64 độ C, quá trình chuyển pha cấu trúc thủy tinh tĩnh chính thức hoàn tất, giam cầm nước trong một trạng thái rắn vô trật tự.
Khi nhiệt độ tiếp tục hạ thấp hơn nữa, lớp nước thủy tinh này bắt đầu xuất hiện các vết nứt như một phiến kẹo lạc đông lạnh kỳ lạ.
' %2F%3E%3C%2Fsvg%3E)
Không chỉ giải mã một hiện tượng vật lý cơ bản về chất lỏng thiết yếu của sự sống, công trình này còn mở ra triển vọng ứng dụng thực tiễn to lớn.
Nhóm tác giả kết luận rằng các phát hiện mới có ý nghĩa trực tiếp đối với mọi hiện tượng liên quan đến nước bị giam hãm ở quy mô nano trong môi trường cực lạnh, tiêu biểu như kỹ thuật bảo quản lạnh mô sinh học hay công nghệ cấp đông sâu thực phẩm.
Dù việc ứng dụng này có giúp hoàn thiện quy trình hồi phục mô sinh học hay tạo ra những dòng kem siêu mịn mang tính cách mạng hay không vẫn cần thời gian kiểm chứng, phát hiện trên đã chính thức mở toang cánh cửa bước vào "vùng đất không người" vốn thách thức giới khoa học suốt nhiều thập kỷ qua.