Một số mô hình trong sách giáo khoa có thể thay đổi do giới nghiên cứu phát hiện phân tử nước ở bề mặt nước muối được sắp xếp khác với những gì thường nghĩ.
Hình minh hoạ bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch nước muối và không khí cho thấy cách phân bổ các phân tử nước - Ảnh: Yair Lipman
Nhiều phản ứng hoá học liên quan mật thiết đến môi trường và khí hậu xảy ra ở mặt phân giới giữa các phân tử nước và không khí. Ví dụ sự bay hơi của nước biển đóng vai trò vô cùng hệ trọng đối với ngành hoá học khí quyển và khoa học khí hậu. Hiểu rõ những phản ứng này, ta mới có thể giảm thiểu thật hiệu quả tác động của con người đối với hành tinh xanh.
Phân bố ion tại nơi nước và không khí tiếp xúc có thể ảnh hưởng các chu trình khí quyển. Song, các phản ứng tầm vi mô này vẫn luôn là đề tài còn gây nhiều tranh cãi.
Trong một bài báo công bố trên tập san “Nature Chemistry”, nhóm nghiên cứu Đại học Cambridge và Viện Nghiên cứu Polyme Max Planck tại Đức chứng minh được ion và các phân tử nước trong hầu hết các dung dịch nước muối, còn gọi là dung dịch điện giải, được sắp xếp theo cách khác hẳn với hiểu biết trước giờ. Đây có thể là cơ sở giúp ta xây dựng những mô hình hoá học tốt hơn và đi đến nhiều ứng dụng hữu ích.
Áp dụng kỹ thuật phức tạp hơn
Mục tiêu nhóm nghiên cứu đặt ra là tìm hiểu xem phân bố ion tại ngay điểm tiếp xúc giữa mặt nước và không khí ảnh hưởng thế nào đến các phân tử nước. Kỹ thuật áp dụng từ trước đến nay là tạo tần số tổng dao động (VSFG) bằng laser nhằm đo được dao động ở cấp độ phân tử tại bề mặt phân giới cần nghiên cứu.
Mặc dù cường độ các tín hiệu có thể đo được, kết quả lại không cho biết ion đang đo là âm hay dương, gây khó khăn cho bước giải thích dữ liệu. Đó là chưa kể chỉ sử dụng dữ liệu thực nghiệm không thôi thì kết luận cũng mơ hồ.
Vì vậy mà nhóm nghiên cứu đã áp dụng phiên bản VSFG phức tạp hơn, gọi là VSFG phát hiện ngoại sai (HD-VSFG), vào thử nghiệm nhiều dung dịch điện giải khác nhau. Họ còn phát triển mô hình máy tính tiên tiến mô phỏng các bề mặt phân giới trong những trường hợp khác nhau.
Kết quả thu được từ hai bước này cho thấy ion dương (cation) và ion âm (anion) đều vắng mặt ở bề mặt tiếp xúc. Các cation và anion của những dung dịch điện giải đơn giản khiến một số phân tử nước hướng lên và một số khác hướng xuống. Trong khi đó, các mô hình trong sách giáo khoa hiện nay lại cho thấy các ion xếp hành lớp điện ly đôi và điều hướng toàn bộ các phân tử nước quay theo một chiều.
Đồng tác giả chính, Tiến sĩ Yair Litman thuộc Khoa Hoá học Yusuf Hamied, nhận định: “Công trình của chúng tôi cho thấy sự phân bố ion tại bề mặt các dung dịch điện giải đơn giản khác với hiểu biết trước đây và chính phần dung dịch có nồng độ ion cao bên dưới quyết định cách phân bố vật chất ở bề mặt: trên cùng là một vài lớp phân tử nước nguyên chất, ngay dưới là lớp nồng độ ion cao, rồi dưới cùng là dung dịch nước muối.”
Tác giả chính, Tiến sĩ Kuo-Yang Chiang từ Viện Max Planck, nói: “Bài nghiên cứu cho thấy kết hợp kỹ thuật HD-VSFG cao cấp với mô phỏng máy tính là công cụ quý giá giúp ta hiểu hơn các bề mặt phân giới chất lỏng ở cấp độ phân tử.”
Giáo sư Mischa Bonn, Trưởng Khoa Quang phổ Phân tử Viện Max Planck, cho biết: “Ta có thể tìm thấy những bề mặt phân giới như thế này ở bất cứ đâu, vì vậy tìm hiểu về chúng không chỉ làm giàu vốn tri thức nền tảng mà còn có thể giúp ta tạo ra nhiều thiết bị và công nghệ tiên tiến hơn. Chúng tôi hiện đang áp dụng phương pháp này để nghiên cứu bề mặt phân giới giữa chất lỏng và chất rắn, hy vọng sẽ ứng dụng được cho pin và những thiết bị lưu trữ điện năng khác.”
Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)