Dùng tia X thăm dò khe hở giữa nước và bề mặt phân chia pha

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một khe hở giữa bề mặt phân chia pha với nước và có thể cung cấp sự hiểu biết sâu sắc hơn trong trường hợp khi dầu không tan trong nước. Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã xác định được kích cỡ và tính chất của khe hở này bằng cách sử dụng tia X năng lượng cao ở Công ty ESRF.
Kiến thức về cấu trúc bề mặt phân chia pha trong nước rất quan trọng vì nó đóng vai trò nòng cốt trong hệ thống sinh vật học, và có thể cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về tính ổn định và tính gấp cuộn của protein. Các nhà nghiên cứu đã xuất bản kết quả nghiên cứu của họ trong tuần trên trang web PNAS Early Online Edition.

Lực đẩy của nước là một hiện tượng phổ biến hiện thời trong nhiều khía cạnh của cuộc sống. Các phân tử bột giặt được tạo thành bởi những thành phần hấp dẫn nước và bởi những thành phần khác kỵ nước. Protein cũng sử dụng tính ưa nước để có thể liên kết tạo thành các hợp phần. Tuy nhiên, nghiên cứu các cấu trúc kỵ nước và những gì xảy ra khi chúng gặp nước thì không hoàn toàn chính xác do còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố khác. Các cuộc nghiên cứu trước đây về khe hở giữa nước và bề mặt phân chia pha đã không đưa ra một cái nhìn chặt chẽ.

Các nhà khoa học ở Viện Max Planck về lĩnh vực nghiên cứu kim loại ở Đức, Đại học Nam Úc Adelaide và Công ty ESRF đã thực hiện nhiều thí nghiệm với chùm tia sáng ID 15 tại ESRF trên silicon được bao phủ trên bề mặt là một lớp không thấm nước. Sau đó miếng silicon này được ngâm vào nước nhờ một tế bào đặc biệt. Nghiên cứu về cấu trúc của nước tại bề mặt phân chia pha cho thấy rằng một khe hở trống được thành lập giữa bề mặt 2 pha và rằng kích thước của khe hở chính là đường kính của một phân tử nước, khoảng từ 0,1 đến 0,5 nanômét. Mật độ tập trung phân tử thưa thớt tại bề mặt phân chia pha chiếm đến nửa lớp đơn phân tử nước.

Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều cuộc thí nghiệm hơn nữa để kiểm tra ảnh hưởng của không khí trên khoảng trống lớp phân chia pha vì không khí thường vốn tự nhiên hiện diện trong nước. Trong suốt các cuộc thí nghiệm, các nhà khoa học luôn đảm bảo rằng nước lúc nào cũng ở trạng thái cực sạch (không giống như nước tạp trong tự nhiên) và họ bơm không khí vào các tế bào trên cho đến khi đạt mức bão hòa. Kết quả cho thấy trái ngược với các bản báo cáo trước đây, không khí không hề ảnh hưởng đến cấu trúc của nước ở bề mặt phân chia pha.

Đây là lần đầu tiên tia X synchrotron năng lượng cao được sử dụng như một dụng cụ để xem xét đo đạc tính chất của khe hở phân chia pha. Harald Reichert, tác giả phụ trách bài viết giải thích: “Nhiều nhóm nghiên cứu đã dùng đến nơtron, nhưng họ lại không đủ quyết tâm bởi vì trên hết khe hở này cực kỳ nhỏ và khó quan sát”. Mặc dù chất lượng tia X cực cao, nhưng cuộc thí nghiệm vẫn gặp phải một thử thách là: lớp chống thấm trên miếng silicon chỉ tồn tại được 50 giây dưới tia X, do đó việc xem xét đo đạc các tính chất phải hoàn tất rất nhanh.

Bước tiếp theo đối với nhóm nghiên cứu là tạo ra các cấu trúc xốp và nghiên cứu tính chất của nước tại bề mặt phân chia pha. Reichert nói rằng: “Cuộc nghiên cứu này sẽ cung cấp thêm kiến thức về sự phản ứng của nước trong nhiều môi trường khác nhau. Cấu trúc của nước ở các môi trường này vẫn hơi bí ẩn đối với chúng tôi, mặc dù nước thì bao quanh thế giới của chúng ta"