Nước nặng là nước chứa một tỷ lệ đồng vị đơteri (deuterium) cao hơn thông thường, hoặc là đơteri ôxít, D2O hay ²H2O, hoặc là đơteri proti ôxít, HDO hay H¹H²O.
Nước nặng có thể chứa nhiều tới 100% D2O, và thông thường thì thuật ngữ này nói tới nước trong đó có tỷ lệ cao đơteri. Sự thay thế đồng vị bằng đơteri biến đổi năng lượng liên kết của liên kết hiđrô-ôxy trong nước, dẫn tới biến đổi các tính chất vật lý, hóa học và đặc biệt là sinh học của nước chứa thuần túy hay làm giàu cao bằng đơteri ở mức độ lớn hơn so với được tìm thấy trong phần lớn các hợp chất hóa học được thay thế bằng đồng vị.
Không nên nhầm lẫn nước nặng với nước cứng hay với nước siêu nặng.
Bạn cần nước bình thường để sinh sống, nhưng bạn có thể đã tự hỏi liệu bạn có thể uống nước nặng? Có phóng xạ? Nó có an toàn không?
Các tính chất vật lý và hóa học của nó là gần như tương tự như của nước (H2O), trừ một hoặc cả hai của các nguyên tử hydro là những đồng vị deuterium hydro thay vì Protium đồng vị thường xuyên. Nó còn được gọi là nước deuterated hoặc D2O. Trong khi hạt nhân của một nguyên tử Protium bao gồm một proton đơn độc, hạt nhân của nguyên tử đơteri chứa cả một proton và một neutron. Điều này làm cho đơteri khoảng gấp đôi nặng như Protium, nhưng nó là không phóng xạ. Do đó, nước nặng là không phóng xạ. Vì vậy, nếu bạn uống nước nặng, bạn không cần phải lo lắng về việc ngộ độc phóng xạ.
Nếu bạn đã uống quá nhiều nước nặng, các triệu chứng của nước nặng giống ngộ độc phóng xạ, mặc dù nước nặng là không phóng xạ. Điều này là do cả hai bức xạ và nước nặng làm hỏng khả năng của các tế bào để sửa chữa DNA của họ và nhân rộng.
Nước siêu nặng (nước có chứa các đồng vị tritium của hydro) cũng là một hình thức của nước nặng. Đây là loại nước nặng phóng xạ. Nó cũng hiếm hơn và đắt hơn. Nó được sản xuất một cách tự nhiên (rất hiếm) bởi các tia vũ trụ và con người trong các lò phản ứng hạt nhân.
Nước nặng có vị gì?
Ngay từ đầu những năm 1930, sau khi Deuterium được phát hiện và đặt tên bởi nhà khoa học người Mỹ Harold Urey, đã có những ghi chép cho thấy nước nặng có vị khác so với nước. Cụ thể thì nó có vẻ ngọt hơn.
Tuy nhiên, đến năm 1935, chính Harold Urey đã tuyên bố rằng khi ông ấy nếm thử nước nặng, nó không có bất kỳ sự khác biệt vị giác nào. Uy tín của Urey trên cương vị là người phát hiện ra nước nặng và đoạt giải Nobel năm 1934 đã khiến cộng đồng khoa học hầu như đồng thuận với ông ấy.
Vấn đề vị của nước nặng vì thế ít khi được lật lại để xem xét. Nhưng trong một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Communications Biology, nhóm tác giả dẫn đầu bởi nhà hóa sinh Natalie Ben Abu nghi ngờ rằng Harold Urey dường như đã kết luận quá vội vàng.
Để kiểm tra điều đó, Natalie đã thiết kế một số thí nghiệm trên người và trên chuột để so sánh vị của nước và nước nặng. Với thử nghiệm trên người, 28 tình nguyện viên đã được lựa chọn ngẫu nhiên để tham gia nghiên cứu.
Nước nặng có vẻ ngọt hơn so với nước thông thường.
Họ được đưa cho 3 mẫu nước (gồm 2 mẫu H2O và 1 mẫu D2O). Các nhà khoa học yêu cầu những người này nếm thử các mẫu nước này và chọn ra mẫu có mùi vị khác biệt. Kết quả 22/28 tình nguyện viên đã xác định được đúng mẫu D2O.
"Kết quả thử nghiệm của chúng tôi cho thấy con người có thể cảm nhận và phân biệt được D2O với H2O dựa trên mùi vị của nó", Natalie và các đồng tác giả nghiên cứu cho biết.
"Mặc dù thực tế thì hai đồng vị này trên danh nghĩa giống hệt nhau về mặt hóa học, chúng tôi đã chứng minh một cách chắc chắn rằng con người cso thể phân biệt được H2O và D2O dựa trên mùi vị (có bản chất là cảm nhận hóa học). D2O theo đó có vị ngọt khác biệt", Pavel Jungwirth, một nhà hóa học vật lý đến từ Viện Hàn lâm Khoa học Séc bổ sung thêm.
Tại sao nước nặng lại ngọt?
Trong các thử nghiệm trên chuột, kết quả tương tự đã được quan sát thấy. Natalie và Pavel đã cho những con chuột uống thử H2O và D2O, và chúng cũng tỏ ra phân biệt được hai loại nước này. Thế nhưng, những con chuột đã tỏ ra không thích uống D2O.
Các nhà khoa học đã thử pha đường vào nước thường để tái tạo lại vị ngọt của D2O nhưng những con chuột tỏ ra thích nước đường và tiếp tục thờ ơ với nước nặng. Điều này chứng tỏ ở chuột, D2O không tạo ra vị ngọt giống như con người có thể cảm nhận.
Các thử nghiệm vị giác khác do Natalie và Pavel thực hiện đã giải thích lý do tại sao lại như vậy? Hóa ra, con người có khả năng cảm nhận vị ngọt của nước nặng là do trên lưỡi của chúng ta có 2 thụ thể vị giác TAS1R2/TAS1R3 phản ứng được với D2O. TAS1R2/TAS1R3 cũng chính là những thụ thể phản ứng với vị ngọt của đường tự nhiên và chất ngọt nhân tạo.
Trên cấp độ tế bào, các nhà khoa học cũng phát hiện các tế bào biểu hiện hai thụ thể TAS1R2/TAS1R3 như HEK 293 phản ứng mạnh mẽ hơn sau khi tiếp xúc với D2O.
D2O và H2O có những khác biệt nhất định.
Ngoài ra, họ cũng đã xây dựng một mô hình tính toán mô phỏng động lực học phân tử cho thấy sự khác biệt nhỏ trong tương tác giữa protein và H2O so với D2O. Đây là những quan sát tinh tế cho thấy về bản chất hóa và sinh học, D2O và H2O có những khác biệt nhất định.
"Phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng cơ quan thụ cảm vị ngọt TAS1R2/TAS1R3 của con người là yếu tố cần thiết để tạo ra vị ngọt của D2O", các tác giả kết luận .
"Ở cấp độ phân tử, hành vi chung này có thể bắt nguồn từ liên kết hydro mạnh hơn một chút trong D2O so với H2O. Mặc dù rõ ràng không phải là một chất ngọt thực sự, nước nặng cung cấp cái nhìn thoáng qua về không gian hóa học mở rộng của các phân tử có thể tạo ra vị ngọt".
"Nước nặng có thể được sử dụng trong một số thủ thuật y tế, cho nên phát hiện của chúng tôi cũng là một thông tin quan trọng cho các bác sĩ lâm sàng và bệnh nhân của họ".