Znanstveniki so odkrili novo stanje vode

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Ena od osnovnih stvari, ki se jih naučimo pri pouku naravoslovja v šoli, je, da lahko voda obstaja v treh različnih stanjih: trden led, tekoča voda ali plinasta para. Toda pred kratkim je mednarodna skupina znanstvenikov odkrila znake, da lahko tekoča voda dejansko obstaja v dveh različnih stanjih.

Med izvajanjem raziskovalnega dela - rezultati so bili kasneje objavljeni v International Journal of Nanotechnology - so znanstveniki nepričakovano odkrili, da se številne lastnosti spreminjajo v vodi s temperaturo od 50 do 60 ℃. Ta znak možnega obstoja drugega tekočega stanja vode je sprožil burno razpravo v znanstvenih krogih. Če bo potrjeno, bo odkritje našlo uporabo na številnih področjih, vključno z nanotehnologijo in biologijo.

Agregatna stanja, ki jih imenujemo tudi "faze", so ključni koncept teorije sistemov atomov in molekul. Grubo rečeno, lahko sistem, sestavljen iz številnih molekul, organiziramo v obliki določenega števila konfiguracij, odvisno od njegove skupne količine energije. Pri visokih temperaturah (in zato pri višji energijski ravni) je molekulam na voljo večje število konfiguracij, torej so manj togo organizirane in se relativno prosto gibljejo (plinska faza). Pri nižjih temperaturah imajo molekule manj konfiguracij in so v bolj organizirani (tekoči) fazi. Če temperatura pade še nižje, bodo prevzeli eno določeno konfiguracijo in tvorili trdno snov.

To je splošno stanje za relativno preproste molekule, kot sta ogljikov dioksid ali metan, ki imajo tri različna stanja (tekoče, trdno in plinasto). Toda bolj zapletene molekule imajo večje število možnih konfiguracij, kar pomeni, da se število faz povečuje. Odlična ponazoritev tega je dvojno obnašanje tekočih kristalov, ki nastanejo iz kompleksov organskih molekul in lahko tečejo kot tekočine, a kljub temu ohranijo trdno kristalno strukturo.

Ker so faze snovi določene z njeno molekularno konfiguracijo, se številne fizikalne lastnosti dramatično spremenijo, ko snov prehaja iz enega stanja v drugo. V prej omenjeni študiji so znanstveniki izmerili več kontrolnih lastnosti vode med 0 in 100 ℃ v normalnih atmosferskih pogojih (tako da je voda tekoča). Nepričakovano so odkrili dramatične razlike v lastnostih, kot sta površinska napetost vode in lomni indeks (indeks, ki odraža, kako svetloba potuje skozi vodo) pri temperaturi približno 50 ℃.

Posebna struktura

Kako je to mogoče? Zgradba molekule vode H₂O je zelo zanimiva in jo lahko upodobimo kot nekakšno puščico, kjer se na vrhu nahaja atom kisika, s bokov pa ga "spremljata" dva atoma vodika. Elektroni v molekulah so ponavadi asimetrično razporejeni, zato molekula prejme negativni naboj s strani kisika v primerjavi s stranjo vodika. Ta preprosta strukturna značilnost vodi k dejstvu, da molekule vode začnejo delovati med seboj na določen način, njihovi nasprotni naboji se privlačijo in tvorijo tako imenovano vodikovo vez.

To omogoča, da se voda v mnogih primerih obnaša drugače od tistega, kar so opazile druge preproste tekočine. Na primer, za razliko od večine drugih snovi določena masa vode zavzame več prostora v trdnem stanju (v obliki ledu) kot v tekočem stanju, ker njene molekule tvorijo specifično pravilno strukturo. Drug primer je površinska napetost tekoče vode, ki je dvakrat večja od drugih nepolarnih, enostavnejših tekočin.

Voda je precej preprosta, vendar ne pretirana. To pomeni, da je edina razlaga za dodatno fazo vode, ki se je pokazala, ta, da se obnaša malo kot tekoči kristal. Vodikove vezi med molekulami ohranjajo določen red pri nizkih temperaturah, lahko pa z naraščanjem temperature pridejo tudi v drugo, bolj prosto stanje. To pojasnjuje znatna odstopanja, ki so jih opazili znanstveniki med raziskavami.

Če je to potrjeno, imajo lahko sklepi avtorjev veliko uporab. Na primer, če spremembe v okolju (recimo temperatura) povzročijo spremembe v fizikalnih lastnostih snovi, se teoretično lahko to uporabi za izdelavo sondirne opreme. Lahko pa pristopite bolj temeljno – biološki sistemi so sestavljeni predvsem iz vode. Kako organske molekule (kot so beljakovine) medsebojno delujejo, je verjetno odvisno od tega, kako molekule vode tvorijo tekočo fazo. Če razumete, kako se molekule vode v povprečju obnašajo pri različnih temperaturah, lahko pojasnite, kako medsebojno delujejo v bioloških sistemih.

To odkritje je odlična priložnost za teoretike in eksperimentatorje ter odličen primer dejstva, da lahko tudi najbolj poznana snov v sebi skriva skrivnosti.

Rodrigo Ledesma Aguilar