Phân tử huyền diệu nhất trong vũ trụ

Nó là vật chất cần thiết cho sự sống, hòa tan vật chất nhiều hơn so với bất kỳ loại dung môi nào khác. Nó lưu giữ một năng lượng đáng kinh ngạc. Cuộc sống mà chúng ta biết sẽ không thể tồn tại nếu thiếu nó. Và mặc dù nó bao phủ hơn 70% bề mặt Trái Đất, nhiều nơi trên thế giới vẫn trong tình trạng thảm khốc vì thiếu nó. Nó là gì?

Tất nhiên, câu trả lời chính là nước. Nước là một trong những vật chất chúng ta biết rõ nhất, một phần vì nó chiếm tới 75% cơ thể chúng ta. Mỗi ngày chúng ta đều phải dùng nó khi uống, tắm, tẩy rửa và xử lý chất thải. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn đang cố gắng để hiểu về những tính chất đặc biệt của nước, và thế kỷ 21 sẽ buộc chúng ta phải suy nghĩ về nước như thể chúng ta chưa từng biết nó trước đây.

Điều gì làm cho nước trở nên nổi bật như vậy?

Trong lịch sử nhân loại, nước được xem là một trong bốn yếu tố chính gồm: không khí, đất và lửa. Chỉ đến khi thế kỷ 18, nhà hóa học Antoine Lavoisier đã cho một dòng điện đi qua nước và nhận ra rằng có hai loại khí bay lên: hydro (nghĩa đen là “tạo ra nước”) và oxy.

Công thức của nước là H20 – hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Một trong những đặc tính nổi bật nhất của nước là nước có các liên kết hydro liên tục hình thành và tái tạo giữa oxy mang điện tích âm yếu và hydro mang điện tích dương yếu. Nhờ các liên kết này, các phân tử nước hấp dẫn một phân tử nước khác ở xa mạnh hơn hết so với bất kỳ chất nào khác.

Các liên kết hydro này làm cho nước có nhiệt dung riêng rất cao, có nghĩa là cần một lượng năng lượng lớn để làm ấm nó. Nó cũng có điểm sôi cao đáng kể so với các phân tử hóa học tương tự khác, chẳng hạn như hydro sulfua (H2S). Những đặc tính này cho phép con người làm tiêu tan một lượng nhiệt lớn trong quá trình tập thể dục thông qua việc đổ mồ hôi.

Một hệ quả của liên kết hydro này là hoạt động mao dẫn sẽ xảy ra, ví dụ khi một chất lỏng thấm dần lên giữa những sợi lông của cây cọ vẽ. Các phân tử nước hút nhau mạnh mẽ đến độ vượt qua cả trọng lực. Khi nước bốc hơi từ những chiếc lá cao nhất của một cái cây, nó hút những phân tử nước khác từ bộ rễ xa phía dưới.

Vẫn còn một hệ quả khác nữa của liên kết hydro là sức căng bề mặt cao của nước. Tính năng này làm cho nó có thể hình thành những giọt nhỏ và cho phép một số côn trùng đi trên mặt nước. Lực này có thể rất mạnh ở những đứa trẻ sinh non, thiếu chất hoạt động bề mặt để làm giảm sức căng của nước, điều đó có thể làm chúng trở nên kiệt sức khi cố gắng hít khí làm đẩy phổi của mình. May mắn thay, giờ đây đã có một loại thuốc để thay thế chất hoạt động bề mặt.

Trên thực tế nước có các cực tích điện dương yếu và tích điện âm yếu cũng làm cho nó trở thành “dung môi phổ quát”, là chất hoàn hảo để hòa tan muối, đường, axít, kiềm và thậm chí là carbon dioxide (CO2), tạo thành tiếng xì xì trong nước soda. Những chất như vậy được gọi là chất hút nước, bởi vì chúng rất dễ hòa tan trong nước.

Ngược lại, chất béo và các loại dầu được phân loại là chất kị nước, bởi vì chúng không có điện tích tại hai đầu của chúng. Kết quả là, các phân tử của chúng hút nhau còn mạnh mẽ hơn cả nước. Để rửa những chất như vậy từ tay hay quần áo của chúng ta, chúng ta cần xà phòng là một chất có cả hai đầu kỵ nước và ưa nước giúp phá vỡ chúng thành những giọt nhỏ xíu để nước có thể mang đi.

Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác

Thậm chí còn nhiều đặc tính đáng chú ý hơn nữa, thực tế nước là chất duy nhất mà con người biết, có thể tăng thể tích khi bị đông cứng ở nhiệt độ lạnh. Hầu như mọi chất khác trở nên đậm đặc hơn khi chúng bị “đóng băng”, nhưng nhờ tính chất đáng chú ý này, cục nước đá có thể nổi trong đồ uống của chúng ta. Đặc tính này có vai trò quan trọng đối với các sinh vật, hồ và các vật thể khác chứa nước khi bị đóng băng.

Nước đá có mật độ phân tử thấp là do khi ở dạng lỏng các phân tử nước cần năng lượng nhiệt để duy trì định hướng ngẫu nhiên; còn khi nhiệt độ giảm, các phân tử nước bắt đầu xếp hàng thành một hàng rào mắt lưới đều đặn. Để làm như vậy, khoảng cách giữa chúng phải tăng lên. Kết quả là, nước đông đá có thể tích cao hơn khoảng 9% so với nước lỏng.

Câu ngạn ngữ không có hai bông tuyết nào giống nhau có vẻ khó tin cho đến khi bạn xem xét một thực tế rằng những phân tử nước đóng băng có mô hình liên kết rất khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm. Khi biết điều này, bạn sẽ biết thêm rằng các tinh thể tuyết chứa trung bình khoảng 10 lũy thừa mười tám các phân tử nước, sẽ rất dễ dàng để hiểu số lượng các liên kết có thể lớn đến mức không thể tưởng tượng được.

Một chu kỳ liên tục

Nước cũng là chất vô cùng năng động, liên tục di chuyển khắp nơi trên Trái Đất trong một chu kỳ của sự bay hơi, ngưng tụ, mưa và chảy trở lại vùng biển, hồ. Điều này cũng đúng đối với các sinh vật sống, nơi hydro và oxy tạo thành nước đang được liên tục kết hợp và tái kết hợp thông qua quá trình quang hợp và hô hấp.

Và trong khi chúng ta không thể sống mà không có nước, cũng có thể nói rằng chúng ta là những người sản xuất nước. Mỗi khi chúng ta phá vỡ một phân tử glucose, chúng ta hình thành khoảng 6 phân tử nước, đây là một phản ứng điển hình xảy ra trong cơ thể một con người khoảng sáu triệu lũy thừa 24 (số sáu và theo sau khoảng 24 con số 0) lần một ngày. Mặc dù vậy, chúng ta vẫn không sản xuất đủ nước để đáp ứng nhu cầu.

Mặc dù hạn hán ở miền Tây Hoa Kỳ đang thu hút sự chú ý đáng kể, rất có khả năng nước sẽ thành một chủ đề nóng hơn cả trong thế kỷ này. Vì một điều duy nhất, chỉ có khoảng 3% nước trên Trái Đất là nước ngọt, 97% còn lại được tìm thấy trong các đại dương. Và khoảng 70% lượng nước ngọt này được tìm thấy trong các sông băng và tảng băng ở Nam Cực.

Kết quả là, mặc dù Trái Đất có đủ nước để tạo thành một hình cầu có đường kính khoảng 860 dặm, chỉ có một tỉ lệ nhỏ nhoi của lượng nước này là con người có thể tiếp cận dễ dàng, và sự thiếu hụt sẽ còn gia tăng trong lương lai. Một số nhà khoa học đã dự đoán rằng, vào một số thời điểm trong thế kỷ 21, nước ngọt sẽ trở thành một mặt hàng có giá trị hơn so với xăng dầu.

Một câu nói thường được cho là do Albert Einstein tuyên bố đó là có hai con đường dẫn đến sự sống. Con đường đầu tiên như thể không có gì là một phép lạ, và con đường thứ hai như thể tất cả mọi thứ đều là một phép lạ. Nước hoàn toàn tự nhiên, cực kỳ phong phú và rất cần thiết cho sự sống và tất cả tế bào của chúng ta được tắm trong nó. Tuy nhiên, nó còn đặc biệt hơn khi là một bác sĩ và nhà khoa học, tôi xem nó hầu như là một phép màu.

Richard Gunderman, Giáo sư y học của Đại học Chancellor, nhà nghệ thuật tự do, và nhà hoạt động từ thiện tại Đại học Indiana, ĐH Purdue, Indianapolis. Bài viết này được đăng trước đó trên TheConversation.com

Thanh Phong dịch từ The Epoch Times