Các nhà khoa học đã được chứng kiến được cách thức điện truyền trong nước

Đây là thời điểm quan trọng, là một dấu mốc của lịch sử ngành vật lý. Hơn 200 năm sau thời điểm lần đầu tiên các nhà khoa học bắt tay vào nghiên cứu xem làm cách nào mà các phân tử nước có thể dẫn điện, thì giờ đây một nhóm các nhà khoa học đã lần đầu tiên chứng kiến được sự kiện này.

Cái sự thật "nước dẫn điện" nó hiển nhiên tới mức có lẽ ta đã nghe nó trước khi tiếp xúc với bất kì kiến thức học đường nào. Nhưng dù nó có quy chuẩn và cơ bản tới đâu, chúng ta vẫn chưa tìm ra lý do tại sao lại thế. Nhờ đâu mà điện có thể truyền được ở mức nguyên tử?

Một nhóm các nhà khoa học lần đầu tiên được chứng kiến điện truyền trong nước.

"Quá trình cơ bản trong hóa học và sinh học này đã không có cho mình một lời giải thích thỏa đáng từ lâu rồi", Anne McCoy thuộc đội ngũ nghiên cứu, đến từ Đại học Washington nói. "Và giờ đây, chúng ta đã có được mảnh ghép bị thiếu và ta đã vẽ nên được bức tranh toàn cảnh về cách thức mà các proton đi qua nước như thế nào".

Đội ngũ được dẫn dắt bởi giáo sư Mark Johnson từ Đại học Yale, sử dụng phương pháp quang phổ học (một quá trình bắn ánh sáng vào trong phân tử để xem xét các điều gì đang diễn ra bên trong đó), đã chứng kiến được rằng các phân tử nước truyền các proton – các hạt hạ nguyên tử mang điện tích dương – cho nhau.

Và cho tới giờ, tất cả các nhà nghiên cứu đều biết rõ rằng H₂O chuyền proton từ phân tử này qua phân tử khác thông qua nguyên tử oxy của mình. Quá trình này gọi là Cơ chế Grotthuss, được nhà hóa học Theodor Grotthuss đề ra vào năm 1806.

"Các nguyên tử oxy không cần phải di chuyển nhiều", ông Johnson nói. "Nó hoạt động giống như như Cái nôi của Newton, món đồ chơi gồm một hàng các quả bóng thép, được giữ trên không bởi một sợi dây vậy. Nếu như bạn nhấc một quả bóng lên và để nó rơi xuống, chỉ có hai quả bóng đầu và cuối cùng di chuyển, các quả bóng khác vẫn sẽ đứng im ở giữa".

Dưới đây là hình ảnh minh họa Cơ chế Grotthuss.

Hình động trên là toàn bộ những gì chúng ta biết về việc điện truyền trong nước. Các nhà nghiên cứu chỉ biết được cơ chế này hoạt động như thế nào, nhưng họ vẫn chưa biết được chính xác rằng làm thế nào mà điện lại truyền trong nước được.

Và cứ như thế, trong vòng 200 năm vừa rồi, các nhà nghiên cứu đã tìm một cách quan sát cấu trúc của phân tử nước khi chúng dẫn điện. Đó là một thử thách cực kì khó khăn, một thử thách kéo dài hai thế kỷ.

Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng công nghệ quét hồng ngoại để quan sát quá trình này, nhưng kết quả của quá trình này chỉ là những hình ảnh không rõ nét.

"Thực tế, những ảnh này mờ tới mức chúng tôi đã không thể xác định rõ ràng được đâu là màu sắc và đâu là cấu trúc của nguyên tử, phân tử", giáo sư Johnson giải thích.

Để có thể giải thích và tìm ra đáp án cuối cùng, Johnson và đội ngũ của mình đã tìm ra một cách để làm đông cứng nhanh được quá trình hóa học này. Nếu thành công, họ sẽ có thể tách riêng được đúng giây phút cần thiết, để có thể có một cái nhìn rõ hơn về bí ẩn này.

Họ dùng năm phân tử "nước nặng" – thứ nước có tỷ lệ đồng vị đơ-te-ri cao hơn thông thường – để làm đông lạnh phân tử xuống mức gần độ 0 tuyệt đối (-273,15 độ C).

Khi quá trình này diễn ra thì mọi thứ đều sẽ hoạt động chậm lại, hình ảnh chuyển động của proton sẽ dễ dàng được nhìn thấy hơn nhiều.

"Về cơ bản, chúng tôi tìm ra được một nền tảng ban đầu, hé lộ được các thông tin về cấu trúc phân tử được mã hóa bằng các màu sắc", giáo sư Johnson nói. "Chúng tôi đã có thể tìm ra một chuỗi những nguyên tử biến dạng bởi tác động của dòng điện, với một phương pháp cắt hình như với các khung hình của phim vậy".

Gọi thợ điện hay thợ nước?

Những hiểu biết mới này mà ta khám phá ra được sẽ cung cấp cho ta một cái nhìn cực kì rõ ràng về khả năng dẫn điện của nước, một hiện tượng cơ bản khiến sự sống có thể tồn tại cũng như có mặt ở rất rất nhiều phản ứng hóa học trên Trái Đất này.

Nó cũng có thể cho ta biết rõ hơn về những hoạt động kì lạ của nước, những tính chất mà ta vẫn chưa tìm ra được chính xác nguyên nhân như một trạng thái khác của nước hay trạng thái siêu lỏng/siêu rắn của vật chất nói chung.

Lần thử nghiệm tới, đội ngũ nghiên cứu sẽ tiến hành với nhiều phân tử nước hơn nữa, để xem sự dẫn điện có thay đổi gì không.

Sẽ có người cho rằng những nghiên cứu chuyên sâu về một sự thật mà ta biết rõ sẽ là một sự phí phạm tài nguyên cũng như tốn kém chất xám nhưng không hề như vậy, những kiến thức mới về những định luật cơ bản (như là nước dẫn điện) sẽ là chìa khóa để chúng ta mở cửa những bí mật khác xung quanh cuộc sống này.

Từ khóa liên quan:

điện truyền trong nước

nước dẫn điện

phân tử nước

khả năng dẫn điện của nước

Cơ chế Grotthuss

chuyển động của proton

phương pháp quang phổ học

Anne McCoy

Mark Johnson