Vật lý lượng tử làm cho nước khác biệt

Nước nặng không chỉ nặng hơn. Việc hoán đổi mỗi H trong H2O với một D — đồng vị deuterium của hydro — làm thay đổi nhiều tính chất của nước. Nước nặng có độc, và điểm đóng băng của nó là 4°C, thay vì 0°. Các nhà nghiên cứu hiện đã phát hiện ra rằng những khác biệt đó có thể tiết lộ rằng hiệu ứng lượng tử chi phối nước thông thường.

Kết quả, được báo cáo trong Physical Review Letters sắp tới , có thể làm sáng tỏ sự liên quan của lý thuyết lượng tử đối với nước thông thường, là môi trường cho hầu hết các hoạt động bên trong tế bào sống. Công trình này cũng có thể giúp giải thích một số phát hiện gây tranh cãi về cách các phân tử sinh học hoạt động trong nước.

Các vật thể lượng tử, chẳng hạn như hạt nhân nguyên tử, có đặc tính của cả sóng và hạt. Các hiệu ứng lượng tử thường không biểu hiện bằng mắt thường, nhưng trong trường hợp này, chúng có thể chịu trách nhiệm cho một số đặc điểm bất thường của nước. Alan Soper thuộc Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Didcot, Anh cho biết: "Hiệu ứng lượng tử trong nước rất rõ ràng".

Làm việc với Chris Benmore của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois, Soper đã phát hiện ra rằng, ở trạng thái lỏng, khoảng cách giữa oxy và deuterium trong phân tử D2O ngắn hơn ba phần trăm so với khoảng cách giữa oxy và hydro trong phân tử H2O. Ngược lại, liên kết hydro — liên kết tương đối yếu kết nối oxy trong một phân tử với hydro hoặc deuterium trong phân tử khác — dài hơn bốn phần trăm trong nước nặng so với trong nước nhẹ. Những khác biệt này ít hơn một phần trăm trong hơi nước, nơi các phân tử bị cô lập.

“Sự thay đổi bốn phần trăm trong thời hạn trái phiếu là khá nhiều”, Michael Rübhausen thuộc Đại học Hamburg ở Đức nhận xét.

Các nhà nghiên cứu đã thăm dò khoảng cách thông qua chùm tia X và chùm nơtron, đồng thời chạy mô phỏng máy tính để giúp giải thích dữ liệu.

Hạt nhân deuterium, chứa một neutron ngoài proton đơn thông thường, nặng hơn hạt nhân hydro. Điều đó khiến hạt nhân deuterium hoạt động giống các vật thể cổ điển hơn, trái ngược với các vật thể lượng tử, do đó vị trí của chúng trong không gian ít bị ảnh hưởng bởi sự không chắc chắn lượng tử "làm nhòe" vị trí của proton. Soper cho biết "Hạt càng nặng thì hoạt động càng cổ điển".

Soper cho biết bản chất cổ điển hơn của hạt nhân deuterium khiến chúng bám chặt hơn vào hạt nhân oxy mà chúng liên kết trong một phân tử nước nặng. Mặt khác, một nguyên tử oxy từ một phân tử nước nặng gần đó tạo ra lực kéo yếu hơn lên deuterium. Do đó, liên kết oxy-deuterium giữa các phân tử dài hơn liên kết oxy-hydro liên kết các phân tử trong nước nhẹ.

Nước là một chất lỏng đáng chú ý — ví dụ, nó có sức căng bề mặt cao bất thường và trở nên ít đặc hơn khi đóng băng. Vật lý lượng tử, thông qua tác động của nó lên các liên kết hydro, có thể đóng vai trò quan trọng trong sự kỳ lạ của nước, Soper nói. "Có lẽ tất cả các tính chất của nước đều bị ảnh hưởng bởi độ dài liên kết hydro."

Rübhausen cho biết sự khác biệt về độ dài liên kết có thể giúp giải thích một số kết quả đáng ngạc nhiên mà ông và các cộng sự đã báo cáo vào năm ngoái. Nhóm của ông đã so sánh RNA được tạo thành từ các phân tử hữu cơ thông thường với RNA được tạo thành từ các hình ảnh phản chiếu của các phân tử đó. Mục tiêu của họ là làm sáng tỏ lý do tại sao sự sống luôn sử dụng một loại phân tử này chứ không phải loại phân tử kia.

Về mặt hóa học, các phân tử và ảnh phản chiếu của chúng phải giống hệt nhau. Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy sự khác biệt nhỏ về năng lượng cần thiết để kích thích các electron trong hai loại RNA — nhưng chỉ khi các phân tử RNA được treo trong nước thường. Khi các nhà nghiên cứu lặp lại thí nghiệm trong nước nặng, sự khác biệt đã biến mất.

Rübhausen cho biết, độ dài liên kết ảnh hưởng đến lực tĩnh điện xung quanh các phân tử nước, từ đó thay đổi năng lượng của các electron trong phân tử RNA gần đó. Vì vậy, độ dài liên kết khác nhau trong nước nặng hoặc nước thường bằng cách nào đó có thể che giấu hoặc tăng cường sự khác biệt về năng lượng trong hai loại RNA, Rübhausen suy đoán.