Phát hiện trạng thái thứ 4 của nước

Ngoài ba trạng thái đã biết là rắn, lỏng, khí, nước còn tồn tại ở trạng thái thứ 4 kỳ lạ mang tên "đường hầm" khi đặt dưới áp lực cực cao trong không gian nhỏ.

Theo Gizmag, các nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL), Mỹ, tìm thấy nước trong những ống dẫn 6 cạnh siêu nhỏ từ khoáng chất beryl, vật chất hình thành nền tảng cho những loại đá quý như ngọc lam và ngọc lục bảo. Các ống dẫn có bề rộng bằng khoảng 5 nguyên tử và hoạt động như lồng chứa một phân tử nước bên trong. Giữa không gian vô cùng chật hẹp này, phân tử nước thể hiện một đặc tính thường chỉ thấy ở cấp lượng tử nhỏ hơn nhiều, gọi là đường hầm (tunneling).

Về cơ bản, đường hầm lượng tử có nghĩa một hạt, hay trong trường hợp này là một phân tử, có thể vượt qua rào cản và ở cả hai phía của rào cản đó cùng lúc. Trường hợp này tương tự như việc thả rơi quả bóng ở ngọn đồi thứ nhất và để nó lăn lên ngọn đồi thứ hai. Ngọn đồi thứ hai chính là rào cản và quả bóng chỉ có đủ năng lượng để lên tới độ cao mà nó được thả xuống ban đầu. Nếu ngọn đồi thứ hai cao hơn ngọn đồi thứ nhất, quả bóng không thể lăn qua đỉnh đồi.

Minh họa hình dáng kỳ lạ của phân tử nước bên trong ống beryl. (Ảnh: ORNL).

"Trong vật lý cổ điển, nguyên tử không thể nhảy qua rào cản nếu nó không có đủ năng lượng để thực hiện việc này", nhà khoa học Alexander Kolesnikov, tác giả chính của nghiên cứu công bố hôm 22/4 trên tạp chí Physical Review Letters, cho biết. Nhưng với trường hợp nước bị giữ trong ống dẫn beryl, phân tử nước hoạt động theo định luật vật lý lượng tử.

"Nguyên tử oxy và hydro trong phân tử nước bị dịch chuyển khỏi vị trí và ngay lập tức xuất hiện ở cả 6 vị trí đối xứng trong ống dẫn cùng lúc. Đây là một trong những hiện tượng chỉ xảy ra trong cơ học lượng tử và chưa có trường hợp nào tương tự xảy ra trong đời sống thường ngày", Kolesnikov nói.

Bằng cách sử dụng thí nghiệm phân tán neutron, các nhà nghiên cứu có thể quan sát phân tử nước tỏa rộng thành hai gợn sóng. Ở trung tâm của gợn sóng, nguyên tử hydro chia theo 6 hướng khác nhau cùng lúc. "Đường hầm ở đây có thể hiểu là nguyên tử hydro không nằm một chỗ, mà tỏa ra theo vòng tròn", nhóm nghiên cứu cho biết.

Các nhà nghiên cứu ở ORNL chưa biết chính xác nguyên nhân cũng như cách thức hình thành trạng thái mới của nước. Họ vẫn đang tìm hiểu cơ chế dẫn đến hiện tượng.

Từ khóa liên quan:

trạng thái của nước

phân tử nước

định luật vật lý lượng tử

cơ học lượng tử

đường hầm lượng tử

trạng thái đường hầm

tunneling

ống beryl

khoáng chất beryl

Alexander Kolesnikov