Có thể tồn tại đến hai loại phân tử nước (H2O) bên trong mỗi ly nước mà bạn vẫn uống. Và mới đây, các nhà khoa học lượng tử tại Đại học Basel (Thụy Sĩ) đã chỉ ra đặc tính hóa học khác nhau đáng kể giữa chúng – nghiên cứu được công bố trên Nature Communications.
Tất cả các phân tử H2O đều được tạo thành từ một nguyên tử oxy (mang khối lượng lớn) và hai nguyên tử hydro (khối lượng nhỏ hơn) bám vào, có hình dạng trông giống như tai chuột Mickey. Tuy nhiên, các nguyên tử hydro này có thể sẽ được sắp xếp theo hai cách khác nhau, ứng với spin (*) lượng tử của chúng.
Trong phân tử của loại nước đầu tiên, gọi là “ortho-water”, cả hai hydro đều có spin cùng quay về một hướng. Còn đối với loại nước thứ hai, hay “para-water”, các nguyên tử hydro có spin quay theo hai hướng khác nhau. Do spin thường chỉ ảnh hưởng đến trạng thái của các hạt trên thang đo lượng tử cực kỳ nhỏ, cho nên lâu nay các nhà khoa học vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc tách chúng để làm thí nghiệm.
Vì vậy, trong nghiên cứu mới công bố, các nhà lượng tử đã lợi dụng tính chất “cực” (trong điện học) của nước. Chính hình dáng kỳ dị và không đối xứng (giống với tai chuột Mickey) đã khiến các electron di chuyển không đều trên bề mặt của phân tử H2O và làm cho một bên của nó tích điện dương, còn bên kia mang điện âm – ngay cả khi phân tử trung hòa về điện tích trên tổng thể. Dựa trên nguyên tắc này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm bắn một chùm phân tử H2O đi qua điện trường (được điều chỉnh từ trước) với mục đích đẩy cả hai loại phân tử cực “ortho” và “para” lệch đi một chút, để chúng đâm vào các ngăn chứa khác nhau ở cuối đường đi của chùm tia. Tiếp đó, họ để các ngăn chứa tiếp xúc (phơi nhiễm) với những ion của phân tử diazenylium siêu lạnh – được tạo thành từ hai nguyên tử nitơ (tức giống như một phân tử nitơ bình thường) song gắn thêm một proton dư (hay proton không đi kèm với electron). Theo lý thuyết thì diazenylium sẽ phản ứng với nước và nhường proton cho các phân tử H2O để tạo thành H3O +.
Từ đó, nhóm nghiên cứu phát hiện thấy “para-water” sẽ phản ứng với diazenylium nhanh hơn khoảng 25 % so với "ortho-water". Có lẽ chính sự khác biệt về spin lượng tử đã ảnh hưởng đến sự hấp dẫn giữa các phân tử H2O khác nhau. “Theo hiểu biết của chúng tôi thì đây chính là nghiên cứu đầu tiên về hiện tượng các phân tử trung hòa [như H2O] được chọn lọc theo trạng thái luân phiên, phản ứng với các ion”, các nhà khoa học cho biết.
Thí nghiệm trên đã đại diện cho một bước tiến trong lĩnh vực nghiên cứu để hiểu thêm về những khái niệm vật lý trừu tượng, chẳng hạn như spin lượng tử có ảnh hưởng thế nào đến các phản ứng hóa học xảy ra xung quanh chúng ta, kể cả bên trong cơ thể.
(*) Spin là một đại lượng vật lý, có bản chất của mô-men động lượng và là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển. Spin thường được biểu diễn bằng ký hiệu hơi giống với quả bóng đang quay, nhưng liên quan đến các chiều không gian khác.
Nguồn: Báo khoa học và phát triển