Vědci objevili nové skupenství vody

Jednou ze základních věcí, které se učíme ve školních hodinách přírodopisu, je, že voda může existovat ve třech různých skupenstvích, a to buď jako pevný led, kapalná voda, nebo plynná pára. Mezinárodní tým vědců však nedávno objevil známky toho, že kapalná voda se ve skutečnosti může vyskytovat ve dvou různých stavech.

Vědci v experimentální práci, publikované v časopise International Journal of Nanotechnology, s překvapením zjistili, že řada fyzikálních vlastností vody mění své chování mezi 50 ℃ a 60 ℃. Tento náznak možné změny do druhého kapalného stavu by mohl ve vědecké komunitě vyvolat bouřlivou diskusi. A pokud se potvrdí, mohla by mít důsledky pro řadu oborů, včetně nanotechnologií a biologie.

Stavy hmoty, nazývané také „fáze“, jsou klíčovým pojmem při studiu systémů tvořených atomy a molekulami. Zhruba řečeno, systém vytvořený z mnoha molekul může být uspořádán do určitého počtu konfigurací v závislosti na jeho celkové energii. Při vyšších teplotách (a tedy vyšších energiích) mají molekuly více možných konfigurací, jsou tedy více neuspořádané a mohou se relativně volně pohybovat (plynná fáze). Při nižších teplotách mají molekuly omezenější počet konfigurací, a tvoří tak uspořádanější fázi (kapalinu). Pokud teplota klesne ještě níže, uspořádají se do velmi specifické konfigurace a vytvoří pevnou fázi.

Tento obrázek je běžný pro relativně jednoduché molekuly, jako je oxid uhličitý nebo metan, které mají tři jasné, odlišné stavy (kapalina, pevná látka a plyn). U složitějších molekul však existuje větší počet možných konfigurací, a tak vzniká více fází. Krásnou ilustrací je bohaté chování kapalných krystalů, které jsou tvořeny složitými organickými molekulami a mohou téct jako kapaliny, ale přesto mají krystalickou strukturu podobnou pevné látce.

Protože fáze látky je určena tím, jak jsou její molekuly konfigurovány, mnoho fyzikálních vlastností této látky se při přechodu z jednoho stavu do druhého prudce změní. V nedávné práci vědci měřili několik výmluvných fyzikálních vlastností vody při teplotách mezi 0 ℃ a 100 ℃ za normálních atmosférických podmínek (což znamená, že voda byla kapalná). Překvapivě zjistili zlom ve vlastnostech, jako je povrchové napětí vody a její index lomu (měřítko toho, jak jí prochází světlo), při teplotě kolem 50 ℃.

Speciální struktura

Jak je to možné? Struktura molekuly vody, H₂O, je velmi zajímavá a lze si ji představit jako jakýsi hrot šípu, kde dva atomy vodíku lemují atom kyslíku nahoře. Elektrony v molekule bývají rozloženy poměrně asymetricky, takže strana s kyslíkem je záporně nabitá oproti straně s vodíkem. Tato jednoduchá strukturní vlastnost vede k určitému druhu interakce mezi molekulami vody známé jako vodíková vazba, při níž se opačné náboje vzájemně přitahují.

To dává vodě vlastnosti, které v mnoha případech porušují trendy pozorované u jiných jednoduchých kapalin. Například na rozdíl od většiny ostatních látek zabírá pevná hmotnost vody více místa jako pevná látka (led) než jako (kapalina), protože její molekuly tvoří specifickou pravidelnou strukturu. Dalším příkladem je povrchové napětí kapalné vody, které je zhruba dvakrát vyšší než u jiných nepolárních, jednodušších kapalin.

Voda je dostatečně jednoduchá, ale ne příliš jednoduchá. To znamená, že jednou z možností, jak vysvětlit zdánlivou extra fázi vody, je, že se chová trochu jako kapalný krystal. Vodíkové vazby mezi molekulami udržují při nízkých teplotách určitý řád, ale nakonec by při vyšších teplotách mohla nabýt druhé, méně uspořádané kapalné fáze. Tím by se daly vysvětlit záhyby, které vědci ve svých datech pozorovali.

Pokud by se zjištění autorů potvrdila, mohla by mít řadu aplikací. Například pokud změny prostředí (například teploty) způsobují změny fyzikálních vlastností látky, lze toho potenciálně využít pro senzorické aplikace. Možná ještě zásadnější je, že biologické systémy jsou z velké části tvořeny vodou. To, jak spolu biologické molekuly (například proteiny) interagují, pravděpodobně závisí na specifickém způsobu, jakým se molekuly vody uspořádávají do kapalné fáze. Pochopení toho, jak se molekuly vody v průměru uspořádávají při různých teplotách, by mohlo vrhnout světlo na fungování jejich interakce v biologických systémech.

Objev je vzrušující příležitostí pro teoretiky i experimentátory a krásným příkladem toho, že i ta nejznámější látka v sobě stále skrývá tajemství.

Tento příspěvek se původně objevil na webu The Conversation. Sledujte @US_conversation na Twitteru.