Tudósok új halmazállapotot fedeztek fel a víz számára

Az egyik legalapvetőbb dolog, amit az iskolai természettudományi órákon tanítanak nekünk, hogy a víz három különböző halmazállapotban létezhet: szilárd jégként, folyékony vízként vagy gázgőzként. Egy nemzetközi tudóscsoport azonban nemrég arra utaló jeleket talált, hogy a folyékony víz valójában két különböző állapotban is létezhet.

Az International Journal of Nanotechnology című folyóiratban megjelent kísérleti tanulmányban a kutatók meglepődve tapasztalták, hogy a víz számos fizikai tulajdonsága 50℃ és 60℃ között megváltozik. Ez a második folyékony állapotba való esetleges átmenetre utaló jel heves vitát válthat ki a tudományos közösségben. Ha pedig beigazolódik, az számos területre, többek között a nanotechnológiára és a biológiára is hatással lehet.

Az anyagállapotok, más néven “fázisok” az atomokból és molekulákból álló rendszerek tanulmányozásának egyik kulcsfogalma. Durván szólva, egy sok molekulából álló rendszer a teljes energiájától függően bizonyos számú konfigurációba rendeződhet. Magasabb hőmérsékleten (és ezért magasabb energiák esetén) a molekuláknak több lehetséges konfigurációjuk van, így rendezetlenebbek, és viszonylag szabadon mozoghatnak (gázfázis). Alacsonyabb hőmérsékleten a molekuláknak korlátozottabb számú konfigurációjuk van, és így rendezettebb fázist alkotnak (folyadék). Ha a hőmérséklet tovább csökken, akkor nagyon meghatározott konfigurációba rendeződnek, és szilárd halmazállapotot hoznak létre.

Ez a kép olyan viszonylag egyszerű molekulákra jellemző, mint a szén-dioxid vagy a metán, amelyeknek három egyértelműen különböző halmazállapota van (folyékony, szilárd és gáz halmazállapot). Az összetettebb molekulák esetében azonban a lehetséges konfigurációk száma nagyobb, és ez több fázist eredményez. Ennek szép példája a folyadékkristályok gazdag viselkedése, amelyeket összetett szerves molekulák alkotnak, és amelyek folyadékként tudnak áramlani, de mégis szilárdszerű kristályszerkezettel rendelkeznek.

Mivel egy anyag fázisát az határozza meg, hogy a molekulái hogyan konfigurálódnak, az anyag számos fizikai tulajdonsága hirtelen megváltozik, amikor egyik állapotból a másikba lép. A mostani tanulmányban a kutatók a víz számos árulkodó fizikai tulajdonságát mérték 0 ℃ és 100 ℃ közötti hőmérsékleten, normál légköri körülmények között (vagyis a víz folyékony volt). Meglepő módon 50℃ körül olyan tulajdonságokban találtak egy csomópontot, mint a víz felületi feszültsége és törésmutatója (a fény áthaladásának mérőszáma).

Speciális szerkezet

Hogyan lehet ez? A vízmolekula, a H₂O szerkezete nagyon érdekes, és úgy lehet elképzelni, mint egyfajta nyílhegyet, amelynek tetején a két hidrogénatom az oxigénatom mellett helyezkedik el. Az elektronok a molekulában meglehetősen aszimmetrikusan oszlanak el, így az oxigén oldala negatívan töltött a hidrogén oldalához képest. Ez az egyszerű szerkezeti sajátosság a vízmolekulák között egyfajta kölcsönhatást eredményez, amelyet hidrogénkötésnek nevezünk, és amelyben az ellentétes töltések vonzzák egymást.

Ez olyan tulajdonságokkal ruházza fel a vizet, amelyek sok esetben megszakítják a más egyszerű folyadékoknál megfigyelt tendenciákat. Például a legtöbb más anyagtól eltérően egy meghatározott tömegű víz szilárdként (jégként) több helyet foglal el, mint (folyadékként), mivel a molekulák sajátos, szabályos szerkezetet alkotnak. Egy másik példa a folyékony víz felületi feszültsége, amely nagyjából kétszerese más nem poláros, egyszerűbb folyadékokénak.

A víz elég egyszerű, de nem túl egyszerű. Ez azt jelenti, hogy a víz látszólagos extra fázisának magyarázatára az egyik lehetőség az, hogy egy kicsit úgy viselkedik, mint egy folyadékkristály. A molekulák közötti hidrogénkötések alacsony hőmérsékleten fenntartanak némi rendet, de végül magasabb hőmérsékleten egy második, kevésbé rendezett folyékony fázist vehet fel. Ez magyarázatot adhat a kutatók által az adataikban megfigyelt görbületekre.

Ha a szerzők megállapításai megerősítést nyernek, számos alkalmazásuk lehet. Például, ha a környezet változásai (például a hőmérséklet) változást okoznak egy anyag fizikai tulajdonságaiban, akkor ez potenciálisan felhasználható érzékelő alkalmazásokban. Talán még ennél is alapvetőbb, hogy a biológiai rendszerek nagyrészt vízből állnak. Az, hogy a biológiai molekulák (például a fehérjék) hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással, valószínűleg attól függ, hogy a vízmolekulák milyen módon rendeződnek folyadékfázist alkotva. Annak megértése, hogy a vízmolekulák átlagosan hogyan rendeződnek el különböző hőmérsékleteken, fényt deríthet a biológiai rendszerekben való kölcsönhatásuk működésére.

A felfedezés izgalmas lehetőség az elméletalkotók és a kísérletezők számára, és szép példája annak, hogy még a legismertebb anyag is rejteget titkokat.

Ez a bejegyzés eredetileg a The Conversation oldalán jelent meg. Kövesse a @US_conversation-t a Twitteren.