Naukowcy odkryli nowy stan materii dla wody

Jedną z najbardziej podstawowych rzeczy, jakich uczą nas w szkole na lekcjach przedmiotów ścisłych jest to, że woda może istnieć w trzech różnych stanach, jako stały lód, ciekła woda lub para wodna. Ale międzynarodowy zespół naukowców znalazł ostatnio oznaki, że ciekła woda może faktycznie występować w dwóch różnych stanach.

Pisząc w pracy eksperymentalnej, opublikowanej w International Journal of Nanotechnology, badacze byli zaskoczeni znalezieniem szeregu właściwości fizycznych wody, które zmieniają swoje zachowanie pomiędzy 50℃ a 60℃. Ten znak potencjalnej zmiany do drugiego stanu ciekłego może wywołać gorącą dyskusję w środowisku naukowym. I, jeśli potwierdzone, to może mieć wpływ na szereg dziedzin, w tym nanotechnologii i biologii.

Stany materii, zwane również „fazy”, są kluczowym pojęciem w badaniu systemów wykonanych z atomów i cząsteczek. Mówiąc z grubsza, układ utworzony z wielu molekuł może być ułożony w pewną liczbę konfiguracji, zależną od jego całkowitej energii. W wyższych temperaturach (a więc i przy wyższych energiach) molekuły mają więcej możliwych konfiguracji, a więc są bardziej zdezorganizowane i mogą poruszać się stosunkowo swobodnie (faza gazowa). W niższych temperaturach molekuły mają bardziej ograniczoną liczbę konfiguracji i tworzą bardziej uporządkowaną fazę (ciecz). Jeśli temperatura spada dalej, układają się one w bardzo specyficzną konfigurację, tworząc ciało stałe.

Ten obraz jest wspólny dla stosunkowo prostych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla lub metan, które mają trzy wyraźne, różne stany (ciecz, ciało stałe i gaz). Jednak w przypadku bardziej złożonych cząsteczek istnieje większa liczba możliwych konfiguracji, a to prowadzi do powstania większej liczby faz. Piękną ilustracją tego jest bogate zachowanie ciekłych kryształów, które są tworzone przez złożone cząsteczki organiczne i mogą płynąć jak ciecze, ale nadal mają solidną strukturę krystaliczną.

Ponieważ faza substancji jest określona przez to, jak jej cząsteczki są skonfigurowane, wiele właściwości fizycznych tej substancji zmieni się gwałtownie, jak przechodzi z jednego stanu do drugiego. W ostatnim artykule, naukowcy zmierzyli kilka charakterystycznych właściwości fizycznych wody w temperaturach od 0 ℃ do 100 ℃ w normalnych warunkach atmosferycznych (co oznacza, że woda była cieczą). Zaskakująco, znaleźli załamanie we właściwościach takich jak napięcie powierzchniowe wody i jej współczynnik załamania światła (miara tego, jak światło podróżuje przez nią) przy około 50℃.

Specjalna struktura

Jak to możliwe? Struktura cząsteczki wody, H₂O, jest bardzo interesująca i można ją sobie wyobrazić jako coś w rodzaju końcówki strzałki, z dwoma atomami wodoru otaczającymi atom tlenu na górze. Elektrony w cząsteczce są rozmieszczone w dość asymetryczny sposób, przez co strona z tlenem jest ujemnie naładowana w stosunku do strony z wodorem. Ta prosta cecha strukturalna prowadzi do pewnego rodzaju interakcji między cząsteczkami wody, znanej jako wiązanie wodorowe, w którym przeciwne ładunki przyciągają się nawzajem.

To nadaje wodzie właściwości, które w wielu przypadkach łamią tendencje obserwowane dla innych prostych cieczy. Na przykład, w przeciwieństwie do większości innych substancji, stała masa wody zajmuje więcej miejsca jako ciało stałe (lód) niż jako ciecz (ciecz) ze względu na sposób, w jaki jej cząsteczki tworzą specyficzną regularną strukturę. Innym przykładem jest napięcie powierzchniowe ciekłej wody, które jest mniej więcej dwa razy większe niż innych, prostszych, niepolarnych cieczy.

Woda jest wystarczająco prosta, ale nie za prosta. Oznacza to, że jedną z możliwości wyjaśnienia pozornie dodatkowej fazy wody jest to, że zachowuje się ona trochę jak ciekły kryształ. Wiązania wodorowe pomiędzy molekułami utrzymują pewien porządek w niskich temperaturach, ale ostatecznie mogą przyjąć drugą, mniej uporządkowaną fazę ciekłą w wyższych temperaturach. To mogłoby wyjaśnić zagięcia zaobserwowane przez badaczy w ich danych.

Jeśli się potwierdzą, ustalenia autorów mogą mieć wiele zastosowań. Na przykład, jeśli zmiany w środowisku (takie jak temperatura) powodują zmiany we właściwościach fizycznych substancji, to może to być potencjalnie wykorzystane do zastosowań czujnikowych. Być może bardziej fundamentalne jest to, że systemy biologiczne składają się głównie z wody. To, w jaki sposób cząsteczki biologiczne (takie jak białka) oddziałują ze sobą, zależy prawdopodobnie od specyficznego sposobu, w jaki cząsteczki wody układają się, tworząc fazę ciekłą. Zrozumienie, w jaki sposób cząsteczki wody układają się średnio w różnych temperaturach, może rzucić światło na to, jak oddziałują one w systemach biologicznych.

Odkrycie to jest ekscytującą szansą dla teoretyków i eksperymentatorów, a także pięknym przykładem na to, że nawet najbardziej znana substancja wciąż kryje w sobie tajemnice.

Ten post pierwotnie ukazał się w The Conversation. Śledź @US_conversation na Twitterze.