NHỮNG PHÂN TỬ AMONIAC LẬT NGƯỢC NHƯ CHIẾC Ô

Nước và silic lỏng có nhiều đặc tính kỳ lạ là nhờ một mạng lưới thưa gồm các liên kết có hướng. Ngược lại, các chất lỏng đơn giản chỉ đơn thuần là được xếp chặt. Amoniac lỏng nằm ở giữa. Mỗi phân tử NH₃ có ba nguyên tử hydro có thể cho đi một liên kết hydro nhưng chỉ có một vị trí có thể nhận liên kết, nên các liên kết của nó thưa thớt và chóng tàn — theo các nghiên cứu mà bài báo trích dẫn, mỗi phân tử nhận khoảng một liên kết, kéo dài chừng một phần mười picô giây.

Amoniac còn có một “màn ảo thuật”. Phân tử này là một kim tự tháp nhỏ, và nguyên tử nitơ của nó có thể lách qua mặt phẳng của ba nguyên tử hydro sang phía bên kia, lộn trái kim tự tháp như chiếc ô gặp cơn gió giật. Sự đảo hình chóp (pyramidal inversion) này nhạy cảm với hiệu ứng lượng tử: ở thể khí, phân tử lật nhờ hiệu ứng đường hầm. Minwoo Kim, Ji Woong Yu, Won Bo Lee và các đồng nghiệp tại Đại học Quốc gia Seoul và Đại học Ajou đặt câu hỏi liệu, trong chất lỏng, những cú lật này có thể ảnh hưởng đến một điều bình thường như tốc độ các phân tử di chuyển lang thang hay không.

Hầu hết các mô hình thậm chí không thể lật

Trở ngại đầu tiên là mô hình. Trong năm trường lực tiêu chuẩn được thử nghiệm, bốn trường lực không tạo ra cú lật nào: hai trường coi phân tử là cứng, và hai trường giữ các góc của nó bằng lò xo không bao giờ cho phép nó đạt đến hình dạng phẳng 120 độ mà cú lật đòi hỏi. Thay vào đó, nhóm đã dùng một trường lực học máy, được huấn luyện trên các tính toán hóa học lượng tử trong công trình trước đó; trường lực này tái tạo cấu trúc, mật độ, độ nhớt và khả năng khuếch tán của chất lỏng tốt ngang các mô hình tiêu chuẩn tốt nhất — mà vẫn cho phép các cú lật tự phát.

Để đưa bản chất lượng tử của hạt nhân vào, họ dùng động lực học phân tử polyme vòng (ring-polymer molecular dynamics): mỗi hạt nhân được biểu diễn bằng 32 bản sao nối với nhau bằng lò xo, cách này tái tạo được thống kê lượng tử của nó. Các lần chạy cổ điển và lượng tử dùng chung đúng một bề mặt năng lượng, với 512 phân tử trong khoảng 170 đến 250 kelvin, một dải nhiệt độ vươn tới vùng chất lỏng chậm đông (supercooled), dưới điểm nóng chảy.

Những cú lật làm rung chuyển vùng lân cận

Với hạt nhân lượng tử, chất lỏng kém đặc hơn, độ nhớt khớp với thực nghiệm sát hơn, và có ít liên kết hydro hơn một chút.
Rào năng lượng biểu kiến của cú lật giảm từ 0,272 electronvolt (cổ điển) xuống 0,213 (lượng tử), nên các cú lật trở nên tương đối thường xuyên hơn khi chất lỏng nguội đi.
Khi giữ cố định toàn bộ các phân tử lân cận, phân tử đã lật nằm cao hơn trước 0,277 electronvolt: môi trường xung quanh rất không phù hợp với hình dạng bị đảo ngược, nên cú lật và sự sắp xếp lại của các phân tử lân cận diễn ra đồng thời.
Quanh mỗi cú lật, phân tử mất liên kết hydro và mật độ cục bộ của nó giảm xuống trong khoảng một picô giây trước và sau. Các phân tử lân cận trong phạm vi 5 ångström — lớp vỏ thứ nhất của nó — mất khoảng 2% liên kết và 1% mật độ; xa hơn thì không có gì thay đổi.

Thoát khỏi chiếc lồng

Trong chất lỏng ấm hơn, hạt nhân lượng tử chỉ làm khuếch tán thay đổi từ −5% đến +2%. Nhưng dưới khoảng 210 kelvin, hiệu ứng chuyển sang dương và đạt +18% ở 170 kelvin.

Lời giải thích nằm ở hiệu ứng lồng (caging). Khi chất lỏng nguội đi, mỗi phân tử ngày càng bị các phân tử lân cận giam giữ, như trong thủy tinh, và phải phá vỡ vòng vây để di chuyển. Xác suất thoát khỏi lồng cao hơn với hạt nhân lượng tử — cao hơn khoảng 20% ở 170 kelvin — và tăng song song với mức tăng khuếch tán. Theo hình dung của các tác giả, mỗi cú lật được lượng tử hỗ trợ là một “tác nhân phá vỡ cấu trúc” nhỏ ở cục bộ, nới lỏng chiếc lồng đúng vào lúc các chiếc lồng bắt đầu có ý nghĩa.

Các tác giả rất thận trọng: chất lỏng cổ điển và lượng tử được so sánh ở mật độ riêng của từng loại, nên vai trò của cú lật chưa được tách hoàn toàn khỏi sự thay đổi mật độ, và mối tương quan giữa việc thoát lồng và khuếch tán tự nó không chứng minh được cơ chế. Điểm cốt lõi của họ là một hiệu ứng lượng tử lên một chuyển động bên trong phân tử, khi đã gắn kết với môi trường xung quanh, có thể lan tới tận cách cả khối chất lỏng chảy.