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?
Tất cả chúng ta đã học trong môn khoa học ở trường tiểu học rằng nước đóng băng ở 0°C, nhưng nó thực sự không đơn giản như vậy. Các thí nghiệm mới ở trường Đại học Houston đã chỉ ra rằng những giọt nước vẫn có thể vẫn ở trạng thái lỏng dù nhiệt độ hạ xuống đến -44°C, nếu chúng tiếp xúc với một bề mặt mềm.
Điểm đóng băng của nước không phải là một “ranh giới” cứng nhắc, đó chỉ là nhiệt độ mà các phân tử nước bắt đầu đóng băng. Những giọt nước đầu tiên chuyển đổi sang trạng thái rắn là những giọt tiếp xúc với không khí lạnh ở bề mặt. Các tinh thể băng mà chúng tạo thành sẽ làm cho các phân tử lân cận cũng đóng băng theo. Quá trình này tiếp tục lan toả cho đến khi toàn bộ phần nước trở thành băng hết.
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.
Điều quan trọng ở đây, theo nhóm nghiên cứu, là “loại bề mặt” mà nước tiếp xúc. Các tinh thể băng sẽ dễ dàng hình thành trên các bề mặt cứng, nhưng khi tiếp xúc với các bề mặt mềm hơn, như dầu hoặc gel, nước sẽ khó đóng băng hơn. Và thậm chí những giọt nước nhỏ hơn có thể ở trạng thái lỏng lâu hơn những giọt nước lớn.
Để nghiên cứu kỹ hơn về mặt vật lý của quá trình chuyển đổi nước thành băng, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với các giọt nước có bề ngang chỉ 2nm, so với kích thước thông thường là khoảng 100nm. Để làm như vậy, các nhà nghiên cứu đã lọc nước qua các lỗ của 1 tấm màng làm bằng nhôm anode. Các giọt nước kích thước nano được bao quanh bởi dầu octane để giữ cho bề mặt phân cách được “mềm” hơn.
Hadi Ghasemi, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Tìm hiểu về nhiệt độ đóng băng của những giọt nước kích thước vài nanomet là một thách thức chưa được giải quyết. Tại đây, thông qua các công cụ đo lường mới được phát triển, chúng tôi đã có thể tìm hiểu sự đóng băng của các giọt nước từ kích thước micromet xuống kích thước chỉ 2nm.”
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.
Nhóm nghiên cứu nói rằng phát hiện này có thể giúp phát triển các phương pháp mới để giảm sự hình thành băng trên thân của máy bay, tuabin gió và các cơ sở hạ tầng khác. Nó cũng có thể giúp cải thiện hệ thống bảo quản lạnh cho thực phẩm đông lạnh, những thứ mà con người đang sử dụng hàng ngày.
