Tại sao những viên đá lạnh lại nổi trên mặt nước?

Hãy tưởng tượng các phân tử nước như những người bạn đang nhảy múa. Khi ở dạng lỏng, họ đứng rất sát nhau để trò chuyện vui vẻ.

Nhưng khi trời lạnh và đóng băng, họ bỗng nắm tay nhau tạo thành những vòng tròn rộng, giống như một chiếc lồng rỗng có nhiều khoảng trống.

Chính vì xòe ra như vậy, viên đá trở nên nhẹ hơn và chiếm nhiều chỗ hơn so với nước thường. Thế là chúng nhẹ nhàng nổi lên trên mặt nước như một chiếc phao nhỏ!

Tại sao nước đá lại nở ra khi đông lạnh thay vì co lại như những thứ khác?

Thông thường, khi trời lạnh, mọi thứ đều muốn co cụm lại để giữ ấm, giống như bạn cuộn tròn trong chăn vậy. Miếng bơ hay thanh sô-cô-la khi lạnh đi đều thu mình nhỏ lại và trở nên đặc khít.

Nhưng nước lại là một "kẻ nổi loạn" cực kỳ cá tính trong căn bếp. Thay vì chen chúc, các phân tử nước lại kiên quyết giữ khoảng cách bằng những "cánh tay" vô hình, tạo nên một cấu trúc vững chãi nhưng đầy lỗ hổng.

Hãy tưởng tượng bạn đang xếp những chiếc ô. Nếu gập lại, bạn xếp được rất nhiều vào giỏ. Nhưng nếu tất cả đều bật mở, chúng sẽ chiếm hết cả gian phòng. Đó chính là lý do vì sao một chai nước đầy có thể làm nổ tung ngăn đá nếu bạn quên bẵng nó đấy!

Làm thế nào mà những "cánh tay" vô hình đó lại có thể ép các phân tử nước phải đứng xa nhau đến thế?

Những "cánh tay" này thực chất là các cực nam châm tí hon nằm ngay trên mỗi phân tử nước. Hãy tưởng tượng mỗi người bạn nước đều có những vùng mang điện tích trái ngược nhau, giống như hai đầu của một viên pin nhỏ xíu đang tìm cách kết nối với nhau.

Khi nước còn ấm, các phân tử mải mê chạy nhảy nên chẳng kịp "bắt sóng" nhau. Nhưng khi lạnh đi, chúng di chuyển chậm lại và bắt đầu bị các lực hút đẩy này khóa chặt vào những vị trí cố định, không thể xê dịch tùy tiện được nữa.

Thay vì nằm chồng chéo, chúng buộc phải duy trì một khoảng cách nhất định để các "cực nam châm" khớp với nhau hoàn hảo. Thế là một mạng lưới rộng thênh thang được hình thành, khiến viên đá phồng to lên so với lúc còn là nước lỏng!

"Mạng lưới rộng thênh thang" mà các phân tử nước tạo ra khi đông đá thực chất có hình dạng như thế nào?

Các phân tử nước khi đông đá sẽ tự xếp thành những hình lục giác đều tăm tắp, trông y hệt như những ô tổ ong tí hon. Đây là tư thế hoàn hảo nhất để các "đầu nam châm" của chúng khớp vào nhau mà không gây ra xung đột hay đẩy nhau ra xa.

Hãy nhìn vào những chiếc ghế tựa trong phòng khách. Nếu bạn xếp chúng thành một vòng tròn lớn để mọi người cùng nhìn vào tâm, phần giữa vòng tròn chắc chắn sẽ để lại một khoảng trống rộng không ai ngồi được.

Hàng tỷ "vòng tròn" phân tử như vậy tạo ra vô số lỗ hổng bên trong khối đá. Chính những khoảng trống này đã ép các phân tử phải đứng giãn ra, khiến viên đá phồng to và nhẹ hơn hẳn so với lúc chúng còn đứng lộn xộn.

Tại sao những bông tuyết lại luôn có sáu cạnh thay vì các hình dạng khác?

Những bông tuyết chính là phiên bản phóng đại của mạng lưới lục giác mà chúng ta vừa nhắc tới. Khi hơi nước lạnh đi, chúng xây dựng "tòa lâu đài" dựa trên bản thiết kế hình tổ ong có sẵn từ cấp độ phân tử.

Vì các phân tử chỉ có thể kết nối theo những góc cố định để các "đầu nam châm" khớp lại, chúng tự nhiên phát triển ra sáu hướng chính. Giống như việc lát gạch lục giác, bạn không thể tạo ra sàn nhà hình vuông nếu các viên gạch đều có sáu cạnh.

Mỗi cánh tuyết sẽ mọc dài ra từ sáu đỉnh của hình lục giác đó. Dù hoa văn có cầu kỳ đến đâu do tác động của gió, "bản vẽ gốc" sáu cạnh vẫn luôn được giữ vững một cách kỳ diệu!