Cần bao nhiêu phân tử nước để tạo thành một cục băng nhỏ nhất? Khoảng chừng 275: đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Đức và Cộng hòa Czech, họ đã phát triển kĩ thuật đầu tiên từng được sử dụng để khảo sát những cụm lớn gồm những phân tử nước. Kết quả của họ có thể giúp làm sáng tỏ sự hình thành của băng tuyết trên cao trong khí quyển.
Những cụm nước là những tập hợp gồm những phân tử nước được giữ lại với nhau bằng những liên kết hydrogen liên phân tử. Cho đến nay, đa số nghiên cứu tập trung vào những cụm nhỏ với 12 phân tử hoặc ít hơn và cấu trúc của những vật thể này mang lại cái na ná như cục băng. Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã phát triển một kĩ thuật dựa trên nền quang phổ học để khảo sát những cụm nước chứa tới 50 phân tử. Tuy nhiên, sự phân tích cấu trúc chi tiết của những cụm gồm 100 – 1000 phân tử, nơi người ta nghĩ sự kết tinh sẽ xảy ra, vẫn nằm ngoài tầm với của những nghiên cứu này.
Khó khăn chính trong việc phân tích những cụm nước lớn là biết chính xác chúng có chứa bao nhiêu phân tử. Công việc này được thực hiện bằng cách đo phổ khối, tức là làm ion hóa các cụm bằng cách cho chúng chịu bức xạ năng lượng cao, bức xạ có thể làm cho những cụm mong mảnh vỡ ra từng mảnh. Ngoài ra, các nhà khoa học còn muốn nghiên cứu những cụm nước trung hòa thay vì tích điện vì những cụm này có mặt trong phần lớn những quá trình kết tinh băng trong tự nhiên.
Hình minh họa cấu trúc phân tử của ba cụm nước thể hiện nhân kết tinh xuất hiện như thế nào khi những cụm nước tăng kích cỡ. Những tinh thể băng đầu tiên xuất hiện ở những cụm cỡ khoảng gồm 275 phân tử. (Ảnh: Victoria Buch, Cristoph Pradzynski và Udo Buck)
Những cụm nước pha tạp
Nay các nhà nghiên cứu trong đó có Thomas Zeuchn tại Viện Physikalische Chemie ở Göttingen, Đức, vừa tìm ra một phương pháp phân tích những cụm nước trung hòa chứa hàng trăm phân tử. Thành công của họ nằm ở hai thủ thuật khéo léo. Thứ nhất, mỗi cụm nước được pha tạp một nguyên tử natri. Việc sử dụng kim loại hoạt tính cao này đồng nghĩa là những cụm nước pha tạp đó bị ion hóa dễ dàng hơn những cụm tinh khiết và đảm bảo rằng electron giải phóng ra từ nguyên tử natri chứ không phải từ cụm nước trung hòa.
Thứ hai, trước khi bị ion hóa, những cụm nước pha tạp được kích thích bằng bức xạ hồng ngoại. Bức xạ này làm tăng nhiệt độ của chúng, do đó làm thay đổi cấu trúc của chúng theo hướng làm giảm thế ion hóa của chúng. Sau đó những cụm nước có thể bị ion hóa với một laser tử ngoại 390 nm, nó có năng lượng đủ thấp để tránh sự phân mảnh do vỡ. Kích cỡ của những cụm nước ion hóa này được xác định bằng kĩ thuật phổ khối thời gian bay (TOF).
Sau đó, để khảo sát cấu trúc của chúng, phổ hồng ngoại của những cụm nước được mang ra tính toán. Bức xạ hồng ngoại với số sóng từ 2800 đến 3800 cm-1 được sử dụng, tương ứng với tần số dao động (giãn) của các liên kết oxygen-hydrogen. Phổ dao động này mang lại cái nhìn có chiều sâu về sự sắp xếp của các phân tử nước bên trong cụm. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu biết rằng băng kết tinh có sự hấp thụ tối đa ở những số sóng khoảng 3200 cm-1, còn băng vô định hình và nước lỏng có sự hấp thụ tối đa ở số sóng xấp xỉ 3400 cm-1.
Biến nước thành băng
Zeuch và các đồng sự đã thu được phổ hồng ngoại cho những cụm nước cỡ từ 85 đến 475 phân tử. Đúng như trông đợi, có một sự lệch cực đại phổ về phía số sóng thấp khi kích cỡ cụm tăng lên. Sự chuyển tiếp từ 3400 đến 3200 cm-1 bắt đầu tại khoảng 275 phân tử, với cục băng kết tinh đầu tiên xuất hiện ở chính giữa cụm, tạo thành một cái vòng gồm sáu phân tử nước liên kết hydrogen trong một cấu trúc tứ diện.
Khi kích cỡ cụm tăng lên thêm, nhân kết tinh dần dần lớn lên. Với 475 phân tử, phổ hồng ngoại bị át trội bởi cấu trúc băng: sự hình thành tinh thể băng gần như là hoàn toàn. Hành trạng này khớp với các tiên đoán lí thuyết do một nhóm nghiên cứu khác nêu ra hồi năm 2004.
“Chẳng có gì bất ngờ rằng nước kết tinh khi bạn mang một số lượng phân tử nước nhất định đến gần nhau,” Zeuch nói. “Nhưng câu hỏi đặt ra là ‘Cái này xảy ra ở đâu?’ Nay chúng tôi vừa phát triển một kĩ thuật xác định rõ ngưỡng kích cỡ mà sự kết tinh xảy ra.”
Tiến lên tầng bình lưu
Kĩ thuật mới này có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu các quá trình tạo mây trong khí quyển của Trái đất. “Có những vùng trong tầng bình lưu không có điểm tạo nhân nào cả nơi các tinh thể băng được hình thành trực tiếp từ các phân tử nước,” Zeuch nói. “Cơ chế động lực học của quá trình này nay có thể được lập mô phỏng một cách chi tiết hơn.”
“Đây thật sự là những kết quả hấp dẫn,” phát biểu của Francesco Paesani, một nhà hóa học tại trường Đại học California, San Diego, người nghiên cứu những cụm phân tử nước. “Những hạt nước cỡ nanomet giữ một vai trò quan trọng trong khí quyển và có thể tìm thấy các tinh thể băng ở nhiều loại mây. Do đó, việc tìm hiểu những cụm nước kết tinh như thế nào mang lại những kiến thức cơ bản về sự tạo mây và các tính chất, cái hóa ra có ảnh hưởng đến quỹ bức xạ và khí hậu của Trái đất.”
Zeuch cũng tin rằng nghiên cứu trên sẽ giúp các nhà khoa học lập mô phỏng tốt hơn sự tương tác giữa những cụm nước trong các mô phỏng động lực học phân tử. Việc biết chính xác những cụm nước này hành xử như thế nào trong toàn khối nước là một trong những mục tiêu chính của những mô hình này và là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong hóa học.
Tham khảo: http://www.sciencemag.org/content/337/6101/1529.abstract
Những cụm nước là những tập hợp gồm những phân tử nước được giữ lại với nhau bằng những liên kết hydrogen liên phân tử. Cho đến nay, đa số nghiên cứu tập trung vào những cụm nhỏ với 12 phân tử hoặc ít hơn và cấu trúc của những vật thể này mang lại cái na ná như cục băng. Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã phát triển một kĩ thuật dựa trên nền quang phổ học để khảo sát những cụm nước chứa tới 50 phân tử. Tuy nhiên, sự phân tích cấu trúc chi tiết của những cụm gồm 100 – 1000 phân tử, nơi người ta nghĩ sự kết tinh sẽ xảy ra, vẫn nằm ngoài tầm với của những nghiên cứu này.
Khó khăn chính trong việc phân tích những cụm nước lớn là biết chính xác chúng có chứa bao nhiêu phân tử. Công việc này được thực hiện bằng cách đo phổ khối, tức là làm ion hóa các cụm bằng cách cho chúng chịu bức xạ năng lượng cao, bức xạ có thể làm cho những cụm mong mảnh vỡ ra từng mảnh. Ngoài ra, các nhà khoa học còn muốn nghiên cứu những cụm nước trung hòa thay vì tích điện vì những cụm này có mặt trong phần lớn những quá trình kết tinh băng trong tự nhiên.
Những cụm nước pha tạp
Nay các nhà nghiên cứu trong đó có Thomas Zeuchn tại Viện Physikalische Chemie ở Göttingen, Đức, vừa tìm ra một phương pháp phân tích những cụm nước trung hòa chứa hàng trăm phân tử. Thành công của họ nằm ở hai thủ thuật khéo léo. Thứ nhất, mỗi cụm nước được pha tạp một nguyên tử natri. Việc sử dụng kim loại hoạt tính cao này đồng nghĩa là những cụm nước pha tạp đó bị ion hóa dễ dàng hơn những cụm tinh khiết và đảm bảo rằng electron giải phóng ra từ nguyên tử natri chứ không phải từ cụm nước trung hòa.
Thứ hai, trước khi bị ion hóa, những cụm nước pha tạp được kích thích bằng bức xạ hồng ngoại. Bức xạ này làm tăng nhiệt độ của chúng, do đó làm thay đổi cấu trúc của chúng theo hướng làm giảm thế ion hóa của chúng. Sau đó những cụm nước có thể bị ion hóa với một laser tử ngoại 390 nm, nó có năng lượng đủ thấp để tránh sự phân mảnh do vỡ. Kích cỡ của những cụm nước ion hóa này được xác định bằng kĩ thuật phổ khối thời gian bay (TOF).
Sau đó, để khảo sát cấu trúc của chúng, phổ hồng ngoại của những cụm nước được mang ra tính toán. Bức xạ hồng ngoại với số sóng từ 2800 đến 3800 cm-1 được sử dụng, tương ứng với tần số dao động (giãn) của các liên kết oxygen-hydrogen. Phổ dao động này mang lại cái nhìn có chiều sâu về sự sắp xếp của các phân tử nước bên trong cụm. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu biết rằng băng kết tinh có sự hấp thụ tối đa ở những số sóng khoảng 3200 cm-1, còn băng vô định hình và nước lỏng có sự hấp thụ tối đa ở số sóng xấp xỉ 3400 cm-1.
Biến nước thành băng
Zeuch và các đồng sự đã thu được phổ hồng ngoại cho những cụm nước cỡ từ 85 đến 475 phân tử. Đúng như trông đợi, có một sự lệch cực đại phổ về phía số sóng thấp khi kích cỡ cụm tăng lên. Sự chuyển tiếp từ 3400 đến 3200 cm-1 bắt đầu tại khoảng 275 phân tử, với cục băng kết tinh đầu tiên xuất hiện ở chính giữa cụm, tạo thành một cái vòng gồm sáu phân tử nước liên kết hydrogen trong một cấu trúc tứ diện.
Khi kích cỡ cụm tăng lên thêm, nhân kết tinh dần dần lớn lên. Với 475 phân tử, phổ hồng ngoại bị át trội bởi cấu trúc băng: sự hình thành tinh thể băng gần như là hoàn toàn. Hành trạng này khớp với các tiên đoán lí thuyết do một nhóm nghiên cứu khác nêu ra hồi năm 2004.
“Chẳng có gì bất ngờ rằng nước kết tinh khi bạn mang một số lượng phân tử nước nhất định đến gần nhau,” Zeuch nói. “Nhưng câu hỏi đặt ra là ‘Cái này xảy ra ở đâu?’ Nay chúng tôi vừa phát triển một kĩ thuật xác định rõ ngưỡng kích cỡ mà sự kết tinh xảy ra.”
Tiến lên tầng bình lưu
Kĩ thuật mới này có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu các quá trình tạo mây trong khí quyển của Trái đất. “Có những vùng trong tầng bình lưu không có điểm tạo nhân nào cả nơi các tinh thể băng được hình thành trực tiếp từ các phân tử nước,” Zeuch nói. “Cơ chế động lực học của quá trình này nay có thể được lập mô phỏng một cách chi tiết hơn.”
“Đây thật sự là những kết quả hấp dẫn,” phát biểu của Francesco Paesani, một nhà hóa học tại trường Đại học California, San Diego, người nghiên cứu những cụm phân tử nước. “Những hạt nước cỡ nanomet giữ một vai trò quan trọng trong khí quyển và có thể tìm thấy các tinh thể băng ở nhiều loại mây. Do đó, việc tìm hiểu những cụm nước kết tinh như thế nào mang lại những kiến thức cơ bản về sự tạo mây và các tính chất, cái hóa ra có ảnh hưởng đến quỹ bức xạ và khí hậu của Trái đất.”
Zeuch cũng tin rằng nghiên cứu trên sẽ giúp các nhà khoa học lập mô phỏng tốt hơn sự tương tác giữa những cụm nước trong các mô phỏng động lực học phân tử. Việc biết chính xác những cụm nước này hành xử như thế nào trong toàn khối nước là một trong những mục tiêu chính của những mô hình này và là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong hóa học.
Tham khảo: http://www.sciencemag.org/content/337/6101/1529.abstract
Nguồn: physicsworld.com
