Liệu có còn điều gì chúng ta chưa biết về nước? Nó ẩm ướt! Trong suốt. Đến từ những cơn mưa. Sôi sùng sục. Làm nên tuyết và đá. Liệu Chính phủ của chúng ta có thực sự chi tiền thuế cho con chỉ để nghiên cứu về nước?

Đoạn văn trên đây được trích từ một trong những cuộc trò chuyện cuối cùng của tôi với người mẹ kính yêu quá cố, bà mất từ khoảng 7 năm về trước, vẫn sống rất mực giản dị ở tuổi 99. Lời nói của bà phản ánh một góc nhìn có lẽ được tận nửa dân số trên thế giới đồng thuận: Nước thật nhàm chán.

Tuy nhiên, nửa còn lại của thế giới, những người phát cuồng trong ngụy khoa học và những bậc thầy thời đại mới, thì có vẻ tin vào những tính chất kì ảo như vi lượng đồng căn1, nước được định hình2, nước ở dạng polime và nước có trí nhớ3.

Sự thật nằm đâu đó ở giữa. Nước phổ biến, đúng ― thật vậy, nó là phân tử phổ biến thứ ba trong vũ trụ. Nhưng trái với góc nhìn của mẹ, bên dưới vẻ bề ngoài, nó cũng phức tạp không kém. Dưới đây chỉ là một ít trong số các vấn đề khoa học liên quan đến nước vẫn còn bỏ ngỏ cho đến ngày nay:

1. Có bao nhiêu loại đá?

Theo tính toán gần đây nhất, có 17 dạng tinh thể khác nhau của nước ở dạng rắn. Tuy nhiên, chỉ có một loại ― đá Ih ― tồn tại phổ biến trên Trái Đất bên ngoài phòng thí nghiệm. Dạng tinh thể thứ hai được gọi là đá Ic với lượng vô cùng nhỏ ở khí quyển tầng cao, và 15 loại còn lại chỉ tồn tại tại những áp suất rất cao. (Có rất nhiều nước trong không gian giữa các vì sao, nhưng thường ở dạng vô định hình, không theo trật tự, băng đá óng ánh hòa trên những miền cát vũ trụ.)

Sự đa dạng của các dạng tinh thể đá bắt nguồn từ mạng lưới tứ diện gồm các liên kết hidro bền vững hình thành giữa các phân tử nước liền kề. Ở pha ngưng tụ, mỗi phân tử tối ưu hóa khả năng tạo liên kết hidro của nó bằng cách hình thành 4 liên kết hidro ở gần các góc tứ diện. Các liên kết hidro bên trong đá Ih tạo ra một cấu trúc mở, 3 chiều với mật độ thấp.

Việc tác dụng của áp suất lên các chất tứ diện, bao gồm tinh thể đá, nguyên tố cacbon, silic, và phốtpho, có thể phá hủy các dạng rắn kém-đặc khít tạo thành nhiều cấu trúc đa dạng với độ đặc khít cao hơn, cho tới khi đạt đến giới hạn đặc khít. Điều này tạo nên 17 dạng tinh thể đá mà chúng ta có thể quan sát được cho đến nay. Có còn điều gì để khám phá nữa hay không?

2. Có hai loại nước ở dạng lỏng?

Vài thập kỷ trước, các nhà khoa học Nhật Bản tuyên bố đã quan sát được những sự biến đổi giữa hai pha của đá vô định hình dưới áp suất cao. Bởi vì chúng ta tin rằng đá vô định hình bản chất là một bức ảnh chụp vội đông cứng của chất lỏng tương ứng, quan sát này chỉ rõ bắt buộc phải tồn tại hai loại nước dạng lỏng: nước bình thường, độ đặc khít thấp, và loại có độ đặc khít cao tương tự đá vô định hình ở áp suất cao.

Một số mô phỏng sau đó đã góp phần củng cố lời tuyên bố này. Họ đã nghiên cứu nước khi ở mức thấp hơn nhiệt độ đóng băng, nhưng ở trên “nhiệt độ tạo mầm4 đồng thể” (nhiệt độ thấp hơn nữa thì nước không thể tồn tại ở dạng lỏng). Trong vùng được gọi là “siêu lạnh” này, các nhà khoa học tìm thấy minh chứng cho sự chuyển pha giữa 2 dạng lỏng của nước.

Tuy nhiên, các nhà khoa học khác cho rằng các kết quả ấy là nhân tạo, và dựa trên các nguyên lý của cơ học thống kê5, những sự chuyển đổi như thế khó mà xảy ra được. Sự thật là chúng xảy ra quá xa khỏi điểm cân bằng khiến việc quan sát và mô hình hóa gặp nhiều khó khăn ― thật sự, động thái quá xa điểm cân bằng là giới hạn hiện tại của lý thuyết chất rắn.

3. Nước bốc hơi như thế nào?

Tốc độ bay hơi của nước là một trong những điều bất định quan trọng trong mô hình khí hậu hiện đại. Nó quyết định khối lượng góp phần của nước trong những đám mây, theo đó quyết định cách các đám mây phản xạ, hấp thụ và tán xạ ánh sáng.

Nhưng chúng ta vẫn chưa hoàn toàn hiểu rõ một cách chính xác cơ chế bốc hơi của nước. Thông thường, để tính tốc độ bốc hơi, các nhà khoa học sẽ nhân tốc độ va chạm giữa các phân tử với một sai số được gọi là hệ số bốc hơi, nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Định lượng thực nghiệm của hệ số này, kéo dài hàng thập kỷ, dao động lên tới 3 cấp khuếch đại6. Rất khó để thực hiện những tính toán lý thuyết bởi bốc hơi là một hiện tượng cực kì hiếm gặp, đòi hỏi những sự mô phỏng trên máy tính với quy mô lớn và lâu dài.

David Chandler và các cộng sự của mình tại Đại học California, Berkeley đã sử dụng một giả thuyết có khả năng mô tả các trường hợp hiếm gặp như thế, được gọi là con đường lây mẫu chuyển đổi, nhằm tính toán hệ số bay hơi của nước. Chúng đạt đến một giá trị gần 1. Điều này tương ứng với thực nghiệm vi tia lỏng (liquid microjet) gần đây đã đưa ra giá trị 0.6 đối với vừa nước thường và nước nặng7.

Tuy nhiên, vẫn còn một số những khúc mắc. Một là, vẫn chưa rõ tại sao các thực nghiệm diễn ra trong điều kiện giống với điều kiện khí quyển hơn lại cho ra những giá trị thấp hơn đáng kể. Hơn nữa, con đường chuyển đổi mô phỏng cho thấy rằng sự bốc hơi nước dựa vào lượng lớn sóng mao dẫn khác thường chạy dọc theo bề mặt chất lỏng, phá vỡ và làm yếu đi các liên kết hidro đang giữ chặt lấy phân tử nước bốc hơi. Thêm một lượng muối vào nước làm tăng sức căng bề mặt8 và triệt tiêu biên độ của sóng mao dẫn, và tỉ lệ bốc hơi sẽ giảm. Nhưng những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc cho muối vào hầu như không gây ảnh hưởng, hoặc chỉ ảnh hưởng rất ít.

4. Bề mặt giọt nước sẽ mang tính kiềm hay tính axit?

Có một điều đáng lưu tâm về lớp sương bao quanh thác Niagara: mỗi một giọt nước chuyển động như thể chúng được tích điện âm. Hầu hết các thác nước khác cũng xảy ra tình trạng tương tự. Điều này từ lâu đã được xem như là minh chứng cho sự tích tụ các ion âm hidroxit (OH-) tại bề mặt giọt nước, điều đó nghĩa là bề mặt sẽ mang tính kiềm ― với độ pH lớn hơn 7 (7 là độ pH của nước cất). Sự thật là, suy nghĩ này đã trở thành luận thuyết trong cộng đồng các nhà khoa học keo chất9.

Bề mặt của nước dạng lỏng chứa đựng một lượng lớn các liên kết hidro bị đứt gãy, tạo ra một môi trường hóa học khác biệt hơn so với đại đa số những môi trường khác. Nhưng các thực nghiệm và tính toán gần đây cho rằng các proton (H+) được hidrat hóa sự thực chiếm ưu thế ở bề mặt của nước, tạo độ pH có tính axit (nhỏ hơn 7) và một bề mặt tích điện dương, hơn là một bề mặt cơ bản, tích điện âm.

Rất nhiều quá trình quan trọng trong hóa học và sinh học, như trao đổi khí sol khí10 trong khí quyển, xúc tác enzym, và vận chuyển proton xuyên màng, liên quan đến sự trao đổi proton tại bề mặt nước, và phụ thuộc trực tiếp vào độ pH tại mặt nước ― một đại lượng ngày nay vẫn chưa được biết tới.

5. Nước có thể bị ‘giam cầm’

Không phải lúc nào nước cũng ào ào vùng vẫy trong đại dương rộng lớn. Cả trong tự nhiên hay trong các thiết bị nhân tạo, nước thường bị giới hạn trong những vùng không gian bé nhỏ đến mức khó có thể tưởng tượng nổi, như mixen nghịch, ống nano cacbon11, màng trao đổi proton12, và xerogels13 (chúng là những chất rắn óng ánh có độ xốp cao).

Có vẻ cả thực nghiệm và tính toán đều cho thấy rằng nước bị ‘giam cầm’ bởi những bức tường rắn trong những vùng không gian tí tẹo, kích thước của nó tầm khoảng vài trăm phân tử, bắt đầu biểu hiện ra các ảnh hưởng của cơ học lượng tử14, bao gồm sự bất định xứ và kết hợp lượng tử15. Những tính chất này đặc biệt khác với những đặc tính của nước trong không gian lớn, và có thể gây ảnh hưởng đến mọi thứ từ các tế bào sinh học cho đến các cấu trúc địa chất. Nó cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn, điển hình trong việc thiết kế các hệ thống khử muối hiệu quả hơn. 

Tuy nhiên, những kết quả gần đây vẫn còn khá mơ hồ, và các nhà khoa học vẫn cần phải tiến hành nhiều công trình nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh vực này để xác định được tính chất của nước bị ‘giam cầm.’