Những trạng thái kỳ lạ của nước ít được biết đến

Bạn có tin rằng nước có thể trở thành băng nóng hoặc thậm chí là bột? Vâng, nước bột là có thật.

Băng-VII

Băng là lạnh. Nhưng băng-VII (còn gọi là băng nóng) lại thực sự nóng. Các nhà khoa học gọi loại băng thông thường mà chúng ta có trên trái đất là “băng I_h”. Chữ “h” nhỏ có nghĩa là lục giác (hexagon), vì các nguyên tử ôxy xếp theo hình lục giác khi nước đóng băng dưới áp suất bình thường. Tuy nhiên, băng I_h trở thành băng-II khi tăng thêm áp suất. Băng-II trở thành băng-III khi tăng thêm áp suất và cứ như thế cho đến khi nó chạm tới (hoặc thậm chí vượt qua) băng-VII, khi các nguyên tử ôxy được sắp xếp theo hình lập phương.

Băng-VII nóng vì nó chỉ được hình thành dưới nhiệt độ và áp suất cao. Trên trái đất, về mặt lý thuyết, nó chỉ có thể tồn tại sâu dưới lớp mantle của vỏ trái đất, nơi áp suất đủ cao để nén nước bình thường thành băng-VII. Tuy nhiên, nó sẽ không hình thành trong lớp mantle vì nhiệt độ cao sẽ biến nước thành hơi trước khi áp suất có thể biến nó thành băng.

Băng-VII.

Nước khô

Nước khô là thứ chúng ta thu được khi trộn nước tự nhiên với silica (với sự trợ giúp của máy móc). Nó có biểu hiện và “hành xử” như một chất rắn mặc dù có 95% là nước. Nước khô bao gồm những hạt giống như đường bột, thực ra là những giọt nước bình thường được phủ silica. Silica ngăn nước lẫn vào nhau và trở thành chất lỏng.

Nước khô được phát triển lần đầu tiên vào năm 1968 và được sử dụng trong mỹ phẩm vào thời điểm đó. Mọi người sớm lãng quên nó cho đến khi các nhà nghiên cứu từ Đại học Hull, Anh, phát minh lại chất này vào năm 2006.

Nước siêu tới hạn

Một chất đạt đến trạng thái siêu tới hạn khi nhiệt độ và áp suất của nó trở nên cao đến mức không có sự khác biệt giữa trạng thái lỏng và khí. Với nước, đó là trạng thái sau khí. Vì vậy, nước trải qua trình tự: rắn, lỏng, khí và siêu tới hạn. Tại thời điểm này nước tồn tại dưới dạng hơi kỳ lạ không thực sự là khí.

Nước đạt đến trạng thái siêu tới hạn ở 373⁰C và áp suất 220 bar. Không thể nén nước trở lại thành chất lỏng ở trạng thái này. Nước siêu tới hạn (giống như các chất lỏng siêu tới hạn khác) có thể chảy qua chất rắn như khí nhưng vẫn có thể hòa tan các chất khác như chất lỏng.

Nước plasma

Gliese 1214 b là một hành tinh kỳ lạ. Nó lớn gấp 6 lần Trái đất và chứa đầy nước - bao gồm nước plasma. Đó là, nước tồn tại ở trạng thái plasma. Vật chất ở trạng thái plasma hơi giống với khí. Nó có tỷ trọng thấp và không có hình dạng hoặc khối lượng xác định - giống như khí. Tuy nhiên, không giống như khí, các nguyên tử của vật chất đã bị loại bỏ các electron và hạt nhân mang điện tích dương di chuyển tự do. Đây là lý do một số nhà khoa học coi plasma là phiên bản điện của khí.

Trở lại với Gliese 1214b. Hành tinh này rất gần với một ngôi sao của nó đến nỗi 1 năm chỉ dài 38 giờ. So với trái đất cách xa mặt trời gấp 70 lần. Nhiệt độ ban ngày trên Gliese 1214 b có thể đạt tới 282⁰C, quá nóng đến mức hầu hết mọi thứ không thể tồn tại. Sự gần gũi của Gliese 1214b với ngôi sao của nó là lý do nước có thể tồn tại dưới dạng plasma ở đó. Nước plasma được coi là một trong những dạng nước siêu tới hạn mà chúng ta đã đề cập ở trên.

Điểm tam thoa của nước

Điểm tam thoa của một chất được định nghĩa là điều khiện khi cả ba trạng thái của một chất là rắn, lỏng và khí có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Điều này chỉ có thể xảy ra khi chất đó đạt đến nhiệt độ và áp suất cụ thể. Đối với nước, nhiệt độ và áp suất đó tương ứng là 273,16 độ Kelvin (0,01°C) và 611,66 pascal (0,0060366 atm).

Điểm tam thoa của nước được sử dụng để xác định nhiệt độ Kelvin, hiệu chỉnh nhiệt kế và xác lập điểm tam thoa của các chất khác. Nước tại điểm tam thoa của nó có thể biến thành chất rắn, lỏng hoặc khí chỉ bằng cách điều chỉnh áp suất và nhiệt độ phù hợp.

Băng siêu ion

Băng siêu ion, hay băng-XVIII, là một dạng băng khác được hình thành do sự gia tăng lớn về nhiệt độ và áp suất. Nó nóng, đen, đặc và có tập tính như kim loại. Một khối băng - XVIII cứng nặng gấp 4 lần một khối băng thường tương đương. Một số nhà khoa học tin rằng băng-XVIII có thể là dạng nước phổ biến nhất trong vũ trụ, tồn tại trong các hành tinh “băng khổng lồ” như sao Thiên vương và sao Hải vương.

Điều thú vị là các nhà khoa học mới chỉ xác nhận sự tồn tại của băng-XVIII vào năm 2019, mặc dù nó đã được dự đoán từ năm 1988. Năm đó, một nhóm các nhà khoa học tiết lộ rằng nước sẽ hoạt động giống như kim loại nếu nhiệt độ và áp suất của nó đủ cao. Băng-XVIII chỉ hình thành ở nhiệt độ hàng ngàn độ và áp suất hàng triệu atmosphere.

Băng vũ trụ

Băng vũ trụ là dạng băng nhẹ nhất. Nó được các nhà nghiên cứu tại Đại học Okayama, Nhật Bản “phát hiện” trong một mô phỏng vào năm 2017 trong khi thí nghiệm để tìm hiểu nước biến thành băng như thế nào. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra băng khi họ cố gắng tìm hiểu điều gì đã xảy ra khi nước đóng băng trong điều kiện không có áp lực.

Các giai đoạn khác của băng đề cập ở trên được tạo ra sau khi nước phải chịu áp suất cực lớn. Còn mô phỏng này xem xét áp lực bằng âm.

Các nhà khoa học đã tạo ra băng khí bằng cách tách chiết hai nguyên tử oxy trong silicon dioxide (hay silica), chỉ để lại silicon. Sau đó, họ thay thế nguyên tử silicon bằng một nguyên tử oxy trước khi đưa vào hai nguyên tử hydro để tạo ra băng. Phát hiện này có thể có ý nghĩa đối với cách thức hoạt động của nước trong ống nano, xốp nano hoặc các phần khác của vũ trụ.