Bạn nghĩ gì khi nói đến nước đá? Những tinh thể nước bị đóng băng khi nhiệt độ đạt tới 0oC. Chúng trong suốt hoặc bị lẫn những bọt khí khiến cục nước đá trong cốc có màu trắng xóa.
Nhưng đó mới chỉ là một dạng kết tinh của nước mà thôi. Trên thực tế, các nhà khoa học đã tìm ra tới 20 loại tinh thể băng khác nhau. Một trong số chúng rất hiếm, chỉ tồn tại trên các hành tinh xa xôi, hoặc chỉ được nhìn thấy thông qua mô phỏng máy tính.
Vậy nếu nước có thể kết tinh theo nhiều cách khác nhau, các nhà khoa học cũng tự hỏi: Liệu chúng ta có thể giữ nước không bị đóng băng ngay cả khi nhiệt độ xuống dưới 0 được hay không?
Chỉ cần tò mò một cách thực sự, họ đã làm được.
Có rất nhiều phương pháp khác nhau giúp các nhà khoa học tạo ra được một thứ nước không thể đóng băng. Một số liên quan đến những phân tử băng vô định hình, đó là một dạng nước rắn nhưng không có hình dạng nhất định. Vô định hình cho phép nước không bị đóng băng, vì các phân tử không tham gia vào quá trình kết tinh.
Năm ngoái, các nhà khoa học ở Thụy Điển đã thành công trong việc tạo ra nước lỏng ở nhiệt độ siêu lạnh. Họ đã hạ được nhiệt độ xuống mức thấp kỷ lục, khoảng -45oC, mà không khiến nước đóng băng.
Nhưng bây giờ, kỷ lục này đã bị phá bởi một nhóm các nhà nghiên cứu ở Thụy Sĩ. Họ đã tiến xa hơn trong kỹ thuật giữ trạng thái của nước ở nhiệt độ siêu lạnh.
Sử dụng một dạng cấu trúc nano của các phân tử nước, với sự trợ giúp của các màng lipid tổng hợp, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Zurich và ETH Zurich đã có thể giữ nước không đóng băng ở nhiệt độ -263oC, nghĩa là chỉ cách 10 độ nữa là đạt tới ngưỡng độ 0 tuyệt đối (0 Kelvin).
Họ gọi đây là một trạng thái nơi nước bị giam cầm. Các tác giả giải thích trong bài báo: "Sự giam cầm vật lý của nước ở cấp độ nano có thể đóng vai trò chính trong việc kiểm soát các thuộc tính của nó".
"Đặc biệt, sự giam cầm trong phạm vi nanomet có thể ức chế sự sắp xếp các phân tử nước thành cấu trúc băng, và do đó ngăn chặn sự kết tinh ở nhiệt độ gần 0 tuyệt đối và tạo ra trạng thái nước vô định hình".
Để tạo ra trạng thái giam cầm và bẫy được các phân tử nước, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp một lớp phân tử chất béo mới, giúp tạo thành một vật liệu sinh học mềm gọi là mesophase lipid.
Trong cấu trúc này, các phân tử chất béo tự lắp ráp thành một mạng lưới có các kênh dẫn cực kỳ hẹp, mỗi kênh chỉ có đường kính dưới 1 nanomet.
Khoảng không chật chội bên trong những đường hầm nhỏ bé đó cho phép các phân tử nước chui qua, nhưng không cho phép chúng kết tinh thành băng - ngay cả khi mesophase được làm lạnh bằng heli lỏng xuống mức 10 Kelvin, tương đương -263oC.
Các nhà nghiên cứu cho biết, cấu trúc lipid nano này có thể làm nên kỳ tích nhờ vào đặc điểm phân tử bên trong. Các phân từ này có các phần kỵ nước và ưa nước sắp xếp rất hợp lý.
"Cái mới trong cấu trúc lipid của chúng tôi là việc đưa được các vòng ba [nguyên tử] không bền vào vị trí cụ thể trong phần kỵ nước của các phân tử", nhà hóa học Ehud Landau đến từ Đại học Zurich cho biết.
"Điều này cho phép tạo ra một độ cong cần thiết, để xây dựng được các kênh nước nhỏ như vậy và ngăn chặn lipit kết tinh".
Các phân tử nước (màu xanh) bị các phần kỵ nước trong mesophase bẫy lại
Mặc dù sự kết tinh không xảy ra, ở ngưỡng nhiệt độ siêu thấp này nước cũng trở thành 'glassy': một trạng thái phụ của nước rắn nhưng không phải là băng. Dưới cấp độ phân tử, trạng thái này không được gọi là kết tinh thành băng.
Bởi các tinh thể băng sẽ không thể hình thành, các nhà nghiên cứu cho biết màng mesophase lipid một ngày nào đó có thể giúp họ bảo tồn vật chất protein mà không làm hỏng nó. Chẳng hạn như việc đông lạnh nội tạng hoặc các thi thể để bảo tồn, các phân tử băng có thể xuyên thủng tế bào, làm hỏng các cấu trúc vi mô vô cùng tinh tế trong cơ thể.
"Nhưng công việc của chúng tôi không chỉ nhằm vào các ứng dụng kỳ quặc", nhà vật lý Raffaele Mezzenga tại ETH Zurich cho biết.
"Trọng tâm chính của chúng tôi là cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ mới, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu cấu trúc phân tử ở nhiệt độ thấp mà không bị các tinh thể băng làm phiền".
"Cuối cùng, điều này cũng giúp hiểu cách hai thành phần chính của sự sống, nước và lipit, tương tác với nhau trong điều kiện khắc nghiệt của nhiệt độ và sự giam cầm trong cấu trúc hình học".
Nghiên cứu đột phá mới vừa được các nhà khoa học Thụy Sĩ báo cáo trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Tham khảo Sciencealert