Các nhà khoa học ở Hoa Kỳ đã tìm thấy bằng chứng cho thấy bề mặt của nước lỏng, ngay cả ở nhiệt độ phòng, có cấu trúc ngày càng giống băng khi tiếp xúc với không khí-nước. Phillip Geissler và Nathan Odendahl của Đại học California, Berkeley, thực hiện mô phỏng máy tính về bề mặt không đồng đều giữa không khí và nước cũng như các họa tiết có trật tự được xác định mà họ cho rằng có những điểm tương đồng đáng kể với băng.
Từ khí quyển đến phổi của con người, nhiều quá trình quan trọng nhất trên hành tinh xảy ra ở bề mặt của giọt nước, mang lại cho nghiên cứu này những hàm ý tiềm năng về vật lý, hóa học và sinh học.
Geissler, người đã sử dụng mô phỏng để nghiên cứu nước ở cấp độ phân tử không thể tiếp cận được trong các thí nghiệm, cho biết: “Những điều mà chúng tôi đã làm việc trong nhiều thập kỷ để hiểu về nước trong môi trường khối lượng lớn của nó đã trở nên sai lầm ở các bề mặt”. Các phép đo quang phổ của bề mặt tiếp xúc không khí-nước đã mang lại những kết quả đáng ngạc nhiên, cho thấy liên kết hydro có trật tự trên bề mặt. Geissler và Odendahl rất tò mò về các mô phỏng trước đây, trong đó đề xuất băng là điểm tham chiếu cho cấu trúc của nước ở bề mặt tiếp xúc, nhưng họ không cho rằng những kết quả này là thuyết phục. Kết quả là họ đã nghĩ ra cách tìm kiếm những mẫu này một cách chi tiết hơn.
Tìm kiếm cấu trúc trong tình trạng hỗn loạn
Nước ở dạng lỏng bị mất trật tự, vì vậy các nhà nghiên cứu biết rằng các cấu trúc mà họ đang tìm kiếm sẽ khó tìm thấy, chỉ bao gồm một vài phân tử và bị chôn vùi dưới tiếng ồn. Họ có ý tưởng rằng các nhà nghiên cứu trước đó đã bỏ sót chi tiết vì họ đã coi giao diện như một mặt phẳng, trong khi thực tế nó mềm và gập ghềnh. Nghiên cứu về các bề mặt tiếp xúc không khí-nước mềm đã được tiên phong cách đây hơn 10 năm và làm lộ ra các lớp song song với bề mặt, nhưng Geissler và Odendahl là những người đầu tiên sử dụng phương pháp này để tìm kiếm mối liên hệ với băng.
Geissler cho biết ông rất ngạc nhiên khi Odendahl cho ông xem những kết quả đầu tiên về các bề mặt tiếp xúc băng và nước-không khí. Họ lập luận rằng, với những chi tiết bổ sung của bề mặt tức thời, các lớp trên bề mặt nước có thể được chia thành các lớp con (xem hình trên). Các lớp con song song là một đặc điểm của bề mặt cơ bản của băng và chúng thể hiện điều mà bộ đôi này tin chắc là sự giống nhau đáng kinh ngạc giữa các lớp này trong các bề mặt băng và nước-không khí.
Sử dụng các lớp con này làm điểm tham chiếu, Geissler và Odendahl đã so sánh hướng của các phân tử, biết rằng điều này được xác định rõ ràng đối với các phân tử nước tứ diện trong băng. Khi các nhà nghiên cứu lập bản đồ hướng thuận lợi của các liên kết oxy-hydro gần bề mặt nước, họ quan sát thấy trật tự mà họ lại lập luận dường như tương ứng với một mặt băng. Những mô hình này có đường kính vài phân tử, lớn hơn cấu trúc tứ diện tạm thời dự kiến có trong nước số lượng lớn.
Sự đối xứng bị phá vỡ buộc nước phải tổ chức
Lập luận cho kết luận của mình, Odendahl cho biết “Việc có giao diện linh hoạt đó thực sự mang lại cho chúng tôi sự tự tin để nói rằng đó không chỉ là một vài thước đo cơ hội. Nếu bạn nhìn vào mật độ, nếu bạn nhìn vào hướng, nếu bạn nhìn vào nhiều lớp thì tất cả những gì chúng tôi đã xem xét, dường như có sự trùng khớp.”
Nước chứng tỏ bị chết điện tại các giao diện
Tuy nhiên, việc giải thích nghiên cứu về cơ học thống kê của chất lỏng luôn gây tranh cãi. Cuộc tranh luận tiếp tục về bề mặt tiếp xúc nước-không khí sẽ dẫn đến câu hỏi cơ bản là băng được xác định như thế nào, và liệu một cấu trúc chỉ trải dài trên một vài phân tử có thể nói là có những đặc tính giống tinh thể hay không. Phản ánh về kết quả của họ, Geissler cho biết “Bây giờ chúng tôi có điểm tham chiếu cấu trúc này để suy nghĩ về các họa tiết cấu trúc này và tôi nghĩ rằng cuối cùng, điều đó sẽ chứng tỏ là một công cụ khái niệm rất hữu ích”.
Nghiên cứu được mô tả trong Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Mỹ.
