Nước đông đá ở nhiệt độ bao nhiêu?

Một thí nghiệm mới cho thấy những giọt nước có thể được giữ ở trạng thái lỏng dù nhiệt độ ở dưới điểm đóng băng thông thường (0°C) bằng cách giữ chúng tiếp xúc với một "bề mặt mềm". Vậy nghiên cứu này có ý nghĩa gì? Mời anh em cùng tìm hiểu nhé!

Đối với bất kỳ giọt nước nào, nó sẽ đóng băng ở nhiệt độ trong khoảng từ 0°C đến -38°C. Nhưng trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã tìm cách giữ một số giọt nước ở dạng lỏng dù nhiệt độ lạnh tới -44°C.

Quảng cáo

Quá trình đóng băng một giọt nước nhỏ như vậy cũng đóng một vai trò quan trọng đối với sự tồn tại của động vật trong môi trường lạnh vì một giọt nước đóng băng bên trong tế bào sẽ dẫn đến việc tế bào bị vỡ và chết. Quá trình này cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc dự báo thời tiết, sự hình thành mây, việc bảo quản lạnh các mô mềm & nội tạng hiến tặng, cũng như các lĩnh vực công nghệ có liên quan đến điều kiện nhiệt độ đóng băng.

Có thể nói điều này gần giống như việc tìm thấy những khối băng đá trên bề mặt của Mặt trời. Loại băng đá có nhiệt độ hàng nghìn độ C này khác hoàn toàn so với những viên đá được làm ra từ ngăn đá trong tủ lạnh của nhà bạn. Một nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở Mỹ đã sử dụng những thiết bị thí nghiệm cực kỳ phức tạp để tạo ra khối băng nóng này trong 4 năm.

Bước đầu tiên là nén nước siêu tinh khiết bằng một thiết bị gọi là "đe kim cương" (diamond anvil cell). Thiết bị này giống như một phiên bản thu gọn của máy ép (bởi chiều dài của nó dưới 1 mm), và nó có thể giữ được nước giữa các viên kim cương mà không bị biến dạng. Áp suất của nó tạo ra có thể lên tới 2,5 tỷ Pascal, gấp gần 25.000 lần áp suất khí quyển tiêu chuẩn, khiến nước lỏng biến thành băng rắn ở 25°C.

Diamond anvil cell.

Ở nhiệt độ bình thường, các phân tử nước chuyển động không đều, và biên độ chuyển động của chúng tăng khi nhiệt độ tăng, bởi vậy khi ở môi trường bình thường, nước là chất lỏng.

Chỉ khi nhiệt độ giảm xuống còn 0°C thì các phân tử nước mới chuyển động đủ chậm để tạo thành liên kết bền chặt hơn giữa các phân tử nước, từ đó cố định vị trí tương đối của chúng, do đó lúc này nước sẽ tạo thành băng.

Tuy nhiên, nước chỉ đóng băng ở 0 ° C dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Khi thay đổi áp suất, nhiệt độ mà nước đóng băng có thể sẽ thay đổi.

Các phân tử nước trong đe kim cương sẽ được hình thành các liên kết bền chặt hơn nhờ vào sự tiếp cận với áp lực lớn, tuy nhiên, sự giống nhau giữa băng được hình thành theo cách này và băng thông thường chỉ giới hạn ở vẻ bề ngoài: các phân tử nước của lớp trước được sắp xếp chặt chẽ hơn và mật độ cao hơn 60% so với lớp sau.

Nhưng cho đến thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu đã thực hiện được quá trình chế tạo ra băng nóng và nó có thể ở trạng thái rắn trong nhiệt độ cao, loại băng này còn được gọi với một cái tên khác là "băng siêu ion". Việc sản xuất băng siêu ion cần sử dụng tia laser, chính xác hơn là sáu tia laser.

Các nhà nghiên cứu đã gửi đá làm từ nước tinh khiết đặt trong đe kim cương đến Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester, Hoa Kỳ, và đặt toàn bộ thiết bị vào trung tâm của một quả cầu có đường kính 3,3m, sau đó đặt tảng băng giữa hai viên kim cương. Khối này say đó sẽ được chiếu xạ bởi 6 tia laser UV. Việc chiếu xạ chỉ kéo dài 1 nano giây (một phần tỷ giây), nhưng nó đủ để tạo ra công suất lên tới 1 nghìn tỷ watt.

Sức mạnh cực lớn này được chuyển đổi thành một sóng xung kích xuyên qua khối băng, và gia tăng áp lực để nén khối băng, để nó có thể chịu được áp suất gấp 2 triệu lần áp suất khí quyển. Ngoài áp suất cực lớn, năng lượng do tia laser cung cấp cũng sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ của khối băng đá lên ít nhất 1700°C! Đây là điều kiện cần thiết để điều chế băng siêu ion.

Diễn giải thì khá dài dòng, thế nhưng toàn bộ thí nghiệm này chỉ có thể kéo dài 20 nano giây, và đe kim cương và băng siêu ion sẽ bốc hơi gần như ngay lập tức sau khi sóng xung kích đi qua.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu chỉ có thể quan sát băng siêu ion trong một thời gian ngắn. Nhưng họ đã thành công trong việc "nhìn thấy" băng siêu ion. Họ cũng sử dụng một máy ảnh tốc độ cực cao có thể chụp một bức ảnh 1000 pixel cứ sau 20 pico giây. Nhờ thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã khám phá thành công bí mật về khả năng dẫn điện của băng siêu ion. Ở trạng thái siêu âm, nước đá có thể dẫn điện!

Trên thực tế, rất lâu trước khi thử nghiệm này được tiến hành, các nhà nghiên cứu đã đoán được đặc tính này bởi nghiên cứu lý thuyết về băng siêu ion đã được thực hiện thông qua mô phỏng máy tính trong gần 30 năm.

Theo mô hình tương ứng, nước đá không giải phóng các electron trong các điều kiện thí nghiệm này, nhưng nó giải phóng các nguyên tử hydro trong phân tử nước. Chính xác hơn, đó là một nguyên tử hydro bị mất một electron: chỉ còn lại các proton, là các hạt mang điện tích dương tạo nên hạt nhân hydro.

Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta cần quan sát thêm cục băng đá đặc biệt này. Ở cấp độ nguyên tử, nước đá là một chất rắn kết tinh: tất cả các phân tử tạo nên nó đều được sắp xếp theo một khuôn mẫu nhất định.

Khi nước đá chuyển từ dạng này sang dạng khác, sự sắp xếp của các phân tử của nó sẽ thay đổi. Khi chúng ta nén chúng trong áp suất cao, các phân tử theo cấu trúc hình khối sẽ buộc phải cấu trúc lại và thu ngắn khoảng cách giữa các phân tử, vì vậy một số nguyên tử hydro có thể di chuyển giữa các phân tử nước liền kề nhau.

Nguyên tử hydro này sẽ từ bỏ các điện tử ban đầu trong quá trình chuyển động, do đó trở thành một proton di động. Ở băng siêu ion, hiện tượng này càng rõ nét hơn: áp suất lớn hơn làm giảm khoảng cách giữa các phân tử, và nhiệt độ cực cao cung cấp nhiều năng lượng nên tất cả các proton đều di chuyển.

Các nguyên tử oxy trong phân tử nước ở dạng này vẫn được sắp xếp theo cách ban đầu, nhưng các proton thì liên tục di chuyển. Những hạt mang điện tích dương này có thể di chuyển một cách từ do và đó cũng chính là lý do tại sao băng siêu ion có thể dẫn điện. Ngoài việc xác nhận các dự đoán trên lý thuyết, việc chuẩn bị và quan sát băng siêu ion trong phòng thí nghiệm cũng sẽ giúp giải thích những bí ẩn bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương bởi hai hành tinh này có thành phần chủ yếu là nước (chiếm 65% tổng khối lượng).

Dựa trên kích thước của chúng (Sao Thiên Vương có đường kính khoảng 51.000 km, Hải Vương Tinh có đường kính khoảng 49.000 km), các nhà vật lý ước tính rằng chỉ cần thâm nhập khoảng 8.000 km vào bầu khí quyển cực kỳ dày đặc của hai hành tinh này có thể sẽ tìm thấy băng siêu ion.

Các nhà nghiên cứu suy đoán thêm rằng phần bên trong của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương là một lớp phủ rắn được tạo thành từ những lớp băng siêu ion dày. Cấu trúc này có thể giải thích từ trường cực kỳ đặc biệt của hai hành tinh này: chúng không có hai cực từ như Trái Đất, thay vào đó chúng có tới 4 cực từ trường.

Nhưng tới nay, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở bước kể trên và sao Thiên Vương và sao Hải Vương không được tạo thành từ nước tinh khiết, chúng còn chứa amoniac và metan... Nếu thêm các tạp chất này vào thì hiệu suất của băng siêu ion sẽ như thế nào? Tất cả những câu trả lời chỉ có thể chờ vào thời gian và những thí nghiêm giải đáp tiếp theo.

Nhiệt độ đông đặc của nước đá là bao nhiêu?

Nhiệt độ nóng chảy của nước đá là gì?

Nhiệt độ đóng băng là bao nhiêu?

Nhiệt độ nước lạnh là bao nhiêu?