Lần đầu tiên quan sát được sự chuyển động của nguyên tử Hydro trong các phân tử nước lỏng

Mỗi phân tử nước chứa một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro, và một mạng lưới liên kết hydro giữa các nguyên tử hydro tích điện dương trong một phân tử và các nguyên tử oxy tích điện âm trong các phân tử lân cận giữ chúng lại với nhau.

Mạng lưới phức tạp này là là nguyên nhân tạo ra nhiều đặc tính khó giải thích của nước, tuy nhiên, cho đến tận bây giờ, các nhà vật lý vẫn chưa thể quan sát trực tiếp cách một phân tử nước tương tác phân tử nước khác bên cạnh như thế nào. Việc quan sát chuyển động này là một thách thức vì chuyển động của các liên kết hydro rất nhỏ và nhanh.

Chuyển động của nguyên tử Hydro trong các phân tử nước lỏng được cho là nguyên nhân tạo ra nhiều đặc tính khó giải thích của nước (ảnh minh họa).

Tiến sĩ Kelly Gaffney, một nhà vật lý tại Trung tâm máy gia tốc tuyến tính Stanford tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC cho biết: "Khối lượng nhỏ của các nguyên tử hydro làm nổi bật hành vi giống như sóng lượng tử của chúng. Nghiên cứu này là nghiên cứu trực tiếp đầu tiên chứng minh rằng phản ứng của mạng lưới liên kết hydro đối với một xung năng lượng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất cơ học lượng tử của cách các nguyên tử hydro được phân bố, vốn từ lâu đã được cho là chịu trách nhiệm về các thuộc tính độc nhất của nước và mạng lưới liên kết hydro của nó".

Các nhà nghiên cứu đã khắc phục vấn đề đó bằng cách sử dụng MeV-UED của SLAC, một 'máy ảnh điện tử' tốc độ cao phát hiện các chuyển động tinh vi của phân tử bằng cách tán xạ một chùm điện tử mạnh ra khỏi các mẫu.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các tia nước lỏng dày 100 nm (nanomet) và khiến các phân tử nước dao động bằng ánh sáng laser hồng ngoại.

Sau đó, họ cho phát các xung ngắn của các electron năng lượng cao từ MeV-UED. Điều này tạo ra một bộ phim Stop motion (từ những bức ảnh chụp liên tiếp từng trạng thái của Hidro) có độ phân giải cao về cấu trúc nguyên tử đang chuyển động và cách mạng lưới các phân tử nước phản ứng với ánh sáng laser.

Các bức ảnh cho thấy rằng khi một phân tử nước bị kích thích bắt đầu dao động, nguyên tử hydro của nó kéo các nguyên tử oxy từ các phân tử nước lân cận lại gần hơn trước khi đẩy chúng ra xa mở rộng không gian giữa các phân tử.

Giáo sư Anders Nilsson, một nhà nghiên cứu tại Đại học Stockholm, cho biết: ‘Mặc dù hiệu ứng lượng tử hạt nhân đã được cho là trung tâm của nhiều đặc tính kỳ lạ của nước, nhưng thí nghiệm này đánh dấu lần đầu tiên nó được quan sát trực tiếp".

Giáo sư Jie Yang, nhà nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa, cho biết: ‘Trong một thời gian dài, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu mạng lưới liên kết hydro bằng kỹ thuật quang phổ. Điều tuyệt vời của thí nghiệm này là lần đầu tiên chúng tôi có thể quan sát trực tiếp cách mà các phân tử nước chuyển động.”

Theo Tạp chí Điện tử