Bạn đã từng xem video một chai nước uống để ngoài ban công vào ngày đông giá rét, ngay khi được lấy vào và mở nắp thì phần nước vốn vẫn bình thường bỗng biến thành băng trắng chỉ trong chớp mắt chưa? Dù nhiệt độ rõ ràng đã xuống dưới mức đóng băng, nước vẫn ở thể lỏng, rồi chỉ một tác động nhỏ cũng khiến toàn bộ nước đông lại cùng lúc.
Chúng ta được học rằng nước đóng băng ở 0℃, nhưng trên thực tế, có những trường hợp nước vẫn chưa đóng băng ngay cả khi đã lạnh hơn 0℃. Hiện tượng chất lỏng được làm lạnh xuống dưới điểm đông đặc nhưng vẫn giữ trạng thái lỏng mà không chuyển thành chất rắn như vậy được gọi là “siêu lạnh (Supercooling)”.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu siêu lạnh là gì, vì sao hiện tượng này xảy ra, nó xuất hiện như thế nào trong tự nhiên và đời sống, cũng như những điều cần biết khi làm việc với hiện tượng siêu lạnh.
Tìm hiểu hiện tượng siêu lạnh
Chất lỏng không đông ngay cả khi ở dưới điểm đông đặc
Siêu lạnh là hiện tượng một chất vẫn duy trì trạng thái ban đầu dù nhiệt độ đã vượt qua ngưỡng mà lẽ ra chất đó phải chuyển trạng thái. Với nước, đó là trạng thái nước vẫn ở thể lỏng mà không biến thành băng ngay cả khi nhiệt độ hạ xuống dưới 0℃. Nước ở trạng thái này được gọi là “nước siêu lạnh”.
Chất lỏng siêu lạnh trông không khác nước bình thường, nhưng lại ở trạng thái rất không ổn định. Giống như một quả bóng vừa đủ đứng yên trên sườn dốc, chỉ cần một tác động nhỏ là nước có xu hướng lập tức chuyển sang trạng thái ổn định hơn là băng. Vì vậy, khi lắc chai hoặc cho một mẩu băng vào, các tinh thể băng sẽ lan ra chỉ trong chớp mắt.
Siêu lạnh không phải hiện tượng chỉ có ở nước. Hiện tượng này cũng xuất hiện ở kim loại, nguyên liệu làm thủy tinh và nhiều loại dung dịch, đồng thời là đối tượng nghiên cứu quan trọng trong hóa học và kỹ thuật vật liệu.
Daniel Gabriel Fahrenheit, nhà khoa học gốc Đức nổi tiếng với thang đo nhiệt độ, được xem là người đầu tiên ghi chép về hiện tượng siêu lạnh. Năm 1724, ông báo cáo đã quan sát thấy nước trong một bình thủy tinh được hút hết không khí vẫn không đông dù đã lạnh hơn điểm đông đặc, nhưng ngay khi lắc bình thì nước lập tức đóng băng. Quan sát này trở thành một trong những ghi chép ban đầu cho thấy thời điểm nước đóng băng không chỉ do nhiệt độ quyết định.
Vì sao nước không đóng băng ngay?
Siêu lạnh xảy ra vì để chất lỏng trở thành chất rắn, trước hết cần có một “hạt giống”.
(1) Phải có mầm tinh thể mới đóng băng
Để nước đóng băng, trước hết một vài phân tử nước phải tập hợp có trật tự theo cấu trúc của băng, tạo thành một cụm nhỏ. Cụm này được gọi là mầm tinh thể, còn quá trình hình thành mầm tinh thể được gọi là sự tạo mầm (Nucleation). Nếu mầm tinh thể quá nhỏ, nó sẽ nhanh chóng tan rã trở lại, vì vậy chỉ khi phát triển vượt một kích thước nhất định, băng mới có thể lan rộng.
(2) Tạp chất và bề mặt đóng vai trò hạt giống
Trong nước thông thường có bụi, những bọt khí nhỏ, cùng các yếu tố như bề mặt gồ ghề của vật chứa, giúp tạo ra những vị trí thuận lợi cho mầm tinh thể hình thành. Ngược lại, nếu cho nước sạch vào một vật chứa có bề mặt nhẵn rồi làm lạnh trong trạng thái yên tĩnh, hiện tượng siêu lạnh sẽ dễ xảy ra vì có ít vị trí có thể trở thành hạt giống.
(3) Nước tinh khiết có thể duy trì trạng thái lỏng đến nhiệt độ thấp hơn nhiều
Những giọt nước rất nhỏ, gần như không có tạp chất, có thể vẫn không đóng băng ngay cả khi nhiệt độ xuống thấp hơn âm 30℃; theo hiểu biết hiện nay, chúng chỉ tự đóng băng khi đạt khoảng âm 38 đến âm 40℃.
Hiện tượng siêu lạnh trong tự nhiên và đời sống
Hiện tượng siêu lạnh thường xảy ra ở những nơi gần gũi hơn chúng ta tưởng.
- Mây (Cloud): Ngay cả trong những đám mây có nhiệt độ dưới mức đóng băng cũng có nhiều giọt nước siêu lạnh chưa đông. Khi máy bay đi qua những đám mây này, các giọt nước có thể đóng băng ngay khi chạm vào cánh, gây ra hiện tượng bám băng.
- Mưa đóng băng (Freezing Rain): Những giọt nước hình thành do tan chảy ở trên cao và trở thành mưa đi qua lớp không khí dưới mức đóng băng gần mặt đất, rồi rơi xuống trong trạng thái siêu lạnh. Ngay khi chạm đất hoặc cành cây, chúng đóng băng và tạo thành một lớp băng trong suốt. Những lớp băng nguy hiểm trên đường cũng có thể hình thành theo cách này.
- Đồ uống đá sệt (Slush Drink): Khi lấy đồ uống đã được làm siêu lạnh ra khỏi ngăn đông rồi lắc hoặc rót, các tinh thể băng mỏng sẽ hình thành ngay tại chỗ; đôi khi người ta thích thú trải nghiệm hiện tượng này.
Cũng có những vật dụng sử dụng nguyên lý tương tự. Túi sưởi tay bấm nút tận dụng trạng thái dung dịch natri axetat vẫn ở thể lỏng dù nhiệt độ đã thấp hơn ngưỡng mà lẽ ra dung dịch phải đông đặc. Khi bẻ miếng kim loại bên trong, tinh thể bắt đầu hình thành, dung dịch đông đặc và tỏa nhiệt, giúp làm ấm tay.
Những điều cần biết khi làm việc với hiện tượng siêu lạnh
Hiện tượng siêu lạnh cũng có thể trở thành một công nghệ hữu ích. Trong lĩnh vực thực phẩm, các nghiên cứu vẫn đang được tiến hành nhằm giữ nguyên liệu ở nhiệt độ thấp hơn điểm đông đặc một chút mà không làm đông, qua đó duy trì độ tươi lâu hơn. Phương pháp này có ưu điểm là tế bào ít bị tổn thương hơn vì không hình thành tinh thể băng.
Tuy nhiên, cần nhớ rằng trạng thái siêu lạnh có thể bị phá vỡ bất cứ lúc nào. Chỉ một rung động nhỏ hoặc sự thay đổi nhiệt độ cũng có thể khiến toàn bộ chất lỏng đông lại cùng lúc, vì vậy các thiết bị sử dụng hiện tượng siêu lạnh phải kiểm soát nhiệt độ thật chính xác. Vào những ngày có dự báo mưa đóng băng, mặt đường có thể đã đóng băng dù trông chỉ như bị ướt, nên cần thận trọng hơn khi lái xe và đi bộ.
Hiện tượng siêu lạnh cũng cho thấy quan niệm đơn giản rằng “cứ đạt 0℃ là nước chắc chắn đóng băng” không phải lúc nào cũng đúng. Bài học quan trọng mà hiện tượng siêu lạnh mang lại là sự chuyển trạng thái không chỉ cần nhiệt độ phù hợp mà còn cần một tác nhân khởi đầu sự thay đổi ấy.
Siêu lạnh là trạng thái kỳ thú khi một chất vẫn ở thể lỏng dù đã qua ngưỡng mà lẽ ra nó phải đông đặc. Hiểu hiện tượng này sẽ giúp chúng ta nhìn những đám mây trên bầu trời mùa đông, những con đường đóng băng, đồ uống trong ngăn đông và cả túi sưởi tay bằng một góc nhìn mới.
Hiểu rằng sự thay đổi không chỉ cần điều kiện mà còn cần một tác nhân khởi đầu chính là bước đầu tiên của khoa học trong việc thấu hiểu sâu sắc sự biến đổi của vật chất.
