Nước là chất xúc tác trong các vụ nổ

Vật liệu có nhiều nhất trên Trái Đất thể hiện một số tính chất lạ thường khi được đặt trong điều kiện khắc nghiệt.

Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore cho biết nước, trong môi trường đặc nóng, đóng vai trò xúc tác những phản ứng nổ phức tạp. Chất xúc tác là hợp chất đẩy nhanh phản ứng hóa học mà không hề bị tiêu thụ. Bạch kim và enzim là những chất xúc tác thường thấy. Nhưng nước rất hiếm khi, nếu có, đóng vai trò chất xúc tác dưới điều kiện bình thường.

Những vụ nổ lớn được hình thành từ oxy và hydro tạo ra nước ở nhiệt độ hàng nghìn độ K và lên đến áp suất 100.000 Atmofe, tương tự điều kiện bên trong những hành tinh khổng lồ.

Trong khi thuộc tính của nước tinh khiết ở áp suất và nhiệt độ cao đã được nghiên cứu trong nhiều năm, thì nước “cực độ” trong môi trường phản ứng chưa hề được đả động đến.

Sử dụng mô phỏng nguyên tử của một vụ nổ PETN (pentaerythritol tetranitrate), nhóm nghiên cứu phát hiện rằng trong nước, khi ion hydro đóng vai trò chất làm giảm, và ion hydroxit (OH) đóng vai trò chất ôxy hóa, thì các ion có tác dụng như một nhóm động lực di chuyển oxy giữa các trung tâm phản ứng.

Tác giả chính Christine Wu, cho biết: “Điều này hoàn toàn mới đối với chúng tôi. Nó cho thấy nước có thể kích thích phản ứng trong các vụ nổ và bên trong các hành tinh”.

Phát hiện này đi ngược lại cách nhìn hiện tại rằng nước đơn giản là một sản phẩm ổn định.

Wu cho biết: “Dưới điều kiện cực độ, nước trở nên khác thường vì sự phân tích liên tục. Khi bạn đưa nó vào điều kiện như bên trong một hành tinh, hydro của một phân tử nước bắt đầu di chuyển rất nhanh”.

Mô phỏng của ngòi nổ trong một vụ nổ lớn cho thấy “nước cực độ” (phân tử với nguyên tử hydro màu đỏ và hai nguyên tử oxy màu trắng) có thể đóng vai trò chất xúc tác đưa oxy qua lại giữa những vị trí phản ứng. (Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore)

Trong mô phỏng phân tử sử dụng siêu máy tính BlueGene L, Wu và các đồng nghiệp Larry Fried, Lin Yang, Nir Goldman và Sorin Bastea phát hiện rằng các ion hydro (H) và hydroxit (OH) trong nước chuyên chở oxy từ nitơ đến cácbon dưới điều kiện nổ PETN (nhiệt độ từ 3.000 độ K đến 4.200 độ K). Dưois cả hai điều kiện nhiệt độ, “nước cực độ” đóng vai trò sản phẩm cuối cùng và chất xúc tác chính.

Đối với một vụ nổ hình thành từ cácbon, nitơ, oxy và hydro, ví dụ như PETN, 3 sản phẩm khí chính là nước, cácbon đioxit và phân tử nitơ.

Nhưng cho đến ngày nay, quá trình hóa học dẫn đến những hợp chất ổn định này chưa được hiểu rõ.

Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng nitơ mất oxy của nó cho hydro, chứ không phải cácbon, kể cả sau khi nồng độ nước đạt đến điểm cân bằng. Họ cũng phát hiện rằng nguyên tử cácbon nhận oxy chủ yếu từ hydroxit, chứ không phải trực tiếp từ nitơ monoxit (NO) hoặc nitơ đioxit (NO2). Trong khi đó nước phân tách và tái kết hợp với hydro và hydroxit một cách thường xuyên.

Wu cho biết: “Nước được hình thành là một phần của cơ chế giải phóng năng lượng. Cơ chế xúc tác hoàn toàn khác với cơ chế phân hủy của PETN hoặc các phản ứng nổ tương tự, trong đó nước chỉ là sản phẩm cuối cùng. Phát hiện mới này có ý nghĩa quan trọng cho các nhà khoa học đang nghiên cứu phấn bên trong của Thiên vương tinh và Hải vương tinh”.

Nghiên cứu được công bố trên số đặc biệt (tháng 4 năm 2009) của tạp chí Nature Chemistry.

Tham khảo:
Christine J. Wu, Laurence E. Fried, Lin H. Yang, Nir Goldman & Sorin Bastea. Catalytic behaviour of dense hot water. Nature Chemistry, 2009; 1 (1): 57 DOI: 10.1038/nchem.130