Naukowcy odkryli nowy stan wody

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Jedną z podstawowych rzeczy, których uczymy się na lekcjach przedmiotów ścisłych w szkole, jest to, że woda może występować w trzech różnych stanach: w stanie stałym, w wodzie w stanie ciekłym lub w parze gazowej. Jednak ostatnio międzynarodowy zespół naukowców odkrył oznaki, że woda w stanie ciekłym może faktycznie istnieć w dwóch różnych stanach.

Prowadząc prace badawcze - wyniki opublikowano później w International Journal of Nanotechnology - naukowcy nieoczekiwanie odkryli, że w wodzie o temperaturze od 50 do 60℃ zmienia się szereg właściwości. Ten znak możliwego istnienia drugiego ciekłego stanu wody wywołał gorącą debatę w kręgach naukowych. Jeśli się potwierdzi, odkrycie znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w nanotechnologii i biologii.

Stany skupione, zwane również „fazami”, są kluczowym pojęciem teorii układów atomów i cząsteczek. Z grubsza mówiąc, system składający się z wielu cząsteczek może być zorganizowany w postaci pewnej liczby konfiguracji w zależności od całkowitej ilości jego energii. W wysokich temperaturach (a więc na wyższym poziomie energetycznym) molekuły mają dostęp do większej liczby konfiguracji, to znaczy są mniej sztywno zorganizowane i poruszają się stosunkowo swobodnie (faza gazowa). W niższych temperaturach cząsteczki mają mniej konfiguracji i są w bardziej zorganizowanej (ciekłej) fazie. Jeżeli temperatura spadnie jeszcze niżej, przybiorą jedną określoną konfigurację i utworzą bryłę.

Jest to ogólny stan rzeczy dla stosunkowo prostych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla lub metan, które mają trzy różne stany (ciecz, ciało stałe i gaz). Jednak bardziej złożone cząsteczki mają większą liczbę możliwych konfiguracji, co oznacza, że wzrasta liczba faz. Doskonałą ilustracją tego jest dwojakie zachowanie ciekłych kryształów, które powstają z kompleksów cząsteczek organicznych i mogą płynąć jak ciecze, ale nadal zachowują stałą strukturę krystaliczną.

Ponieważ fazy substancji są określone przez jej konfigurację molekularną, wiele właściwości fizycznych zmienia się dramatycznie, gdy substancja przechodzi z jednego stanu do drugiego. We wspomnianym badaniu naukowcy zmierzyli kilka właściwości kontrolnych wody w zakresie od 0 do 100 ℃ w normalnych warunkach atmosferycznych (tak, aby woda była płynna). Nieoczekiwanie odkryli dramatyczne różnice we właściwościach, takich jak napięcie powierzchniowe wody i współczynnik załamania światła (wskaźnik, który odzwierciedla sposób, w jaki światło przechodzi przez wodę) w temperaturze około 50 ℃.

Specjalna struktura

Jak to jest możliwe? Struktura cząsteczki wody, H₂O, jest bardzo interesująca i może być przedstawiona jako rodzaj strzałki, gdzie atom tlenu znajduje się u góry, a dwa atomy wodoru „towarzyszą” mu z boków. Elektrony w cząsteczkach mają tendencję do asymetrycznego rozmieszczenia, dlatego cząsteczka otrzymuje ładunek ujemny od strony tlenowej w porównaniu do strony wodorowej. Ta prosta cecha strukturalna prowadzi do tego, że cząsteczki wody zaczynają ze sobą oddziaływać w określony sposób, ich przeciwne ładunki przyciągają się, tworząc tzw. wiązanie wodorowe.

Dzięki temu woda w wielu przypadkach zachowuje się inaczej niż inne proste płyny. Na przykład, w przeciwieństwie do większości innych substancji, pewna masa wody zajmuje więcej miejsca w stanie stałym (w postaci lodu) niż w stanie ciekłym, ponieważ jej cząsteczki tworzą określoną regularną strukturę. Innym przykładem jest napięcie powierzchniowe wody w stanie ciekłym, które jest dwukrotnie wyższe niż w przypadku innych niepolarnych, prostszych cieczy.

Woda jest dość prosta, ale nie przytłaczająca. Oznacza to, że jedynym wytłumaczeniem pojawienia się dodatkowej fazy wody jest to, że zachowuje się trochę jak ciekły kryształ. Wiązania wodorowe między cząsteczkami zachowują pewien porządek w niskich temperaturach, ale mogą też przejść do innego, bardziej swobodnego stanu wraz ze wzrostem temperatury. To wyjaśnia znaczące odchylenia obserwowane przez naukowców podczas badań.

Jeśli to się potwierdzi, wnioski autorów mogą mieć wiele zastosowań. Na przykład, jeśli zmiany w środowisku (powiedzmy temperatura) pociągają za sobą zmiany we właściwościach fizycznych substancji, teoretycznie można to wykorzystać do stworzenia sprzętu sondującego. Możesz też podejść do tego bardziej fundamentalnie - systemy biologiczne składają się głównie z wody. To, w jaki sposób cząsteczki organiczne (takie jak białka) oddziałują ze sobą, prawdopodobnie zależy od tego, jak cząsteczki wody tworzą fazę ciekłą. Jeśli rozumiesz, jak cząsteczki wody zachowują się średnio w różnych temperaturach, możesz wyjaśnić, w jaki sposób oddziałują one w układach biologicznych.

Odkrycie to jest wielką szansą dla teoretyków i eksperymentatorów, a także doskonałym przykładem na to, że nawet najbardziej znana substancja może skrywać w sobie tajemnice.

Rodrigo Ledesma Aguilar