Cercetătorii au descoperit o nouă stare a materiei pentru apă

Unul dintre cele mai elementare lucruri pe care le învățăm la orele de științe este că apa poate exista în trei stări diferite, fie ca gheață solidă, fie ca apă lichidă, fie ca vapori de gaz. Dar o echipă internațională de oameni de știință a descoperit recent semne că apa lichidă ar putea exista de fapt în două stări diferite.

Scriind într-o lucrare experimentală, publicată în International Journal of Nanotechnology, cercetătorii au fost surprinși să constate că o serie de proprietăți fizice ale apei își schimbă comportamentul între 50℃ și 60℃. Acest semn al unei potențiale treceri la o a doua stare lichidă ar putea declanșa o discuție aprinsă în comunitatea științifică. Și, dacă se confirmă, ar putea avea implicații pentru o serie de domenii, inclusiv pentru nanotehnologie și biologie.

Statele materiei, numite și „faze”, sunt un concept cheie în studiul sistemelor alcătuite din atomi și molecule. În linii mari, un sistem format din mai multe molecule poate fi aranjat într-un anumit număr de configurații în funcție de energia sa totală. La temperaturi mai ridicate (și, prin urmare, la energii mai mari, moleculele au mai multe configurații posibile și, prin urmare, sunt mai dezorganizate și se pot deplasa relativ liber (faza gazoasă). La temperaturi mai scăzute, moleculele au un număr mai limitat de configurații și formează astfel o fază mai ordonată (un lichid). Dacă temperatura scade și mai mult, acestea se aranjează într-o configurație foarte specifică, producând un solid.

Această imagine este comună pentru molecule relativ simple, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul, care au trei stări clare, diferite (lichid, solid și gaz). Dar pentru moleculele mai complexe, există un număr mai mare de configurații posibile și acest lucru dă naștere la mai multe faze. O ilustrare frumoasă a acestui lucru este comportamentul bogat al cristalelor lichide, care sunt formate de molecule organice complexe și care pot curge ca lichidele, dar au totuși o structură cristalină asemănătoare cu cea a unui solid.

Pentru că faza unei substanțe este determinată de modul în care sunt configurate moleculele sale, multe proprietăți fizice ale acelei substanțe se vor schimba brusc atunci când trece de la o stare la alta. În lucrarea recentă, cercetătorii au măsurat mai multe proprietăți fizice revelatoare ale apei la temperaturi cuprinse între 0℃ și 100℃ în condiții atmosferice normale (ceea ce înseamnă că apa era un lichid). În mod surprinzător, ei au descoperit o ruptură în proprietăți precum tensiunea superficială a apei și indicele său de refracție (o măsură a modului în care lumina călătorește prin ea) la aproximativ 50℃.

Structura specială

Cum se poate întâmpla acest lucru? Structura unei molecule de apă, H₂O, este foarte interesantă și poate fi imaginată ca un fel de vârf de săgeată, cu cei doi atomi de hidrogen care flanchează atomul de oxigen în partea de sus. Electronii din moleculă au tendința de a fi distribuiți într-un mod destul de asimetric, ceea ce face ca partea de oxigen să fie încărcată negativ în raport cu partea de hidrogen. Această trăsătură structurală simplă duce la un tip de interacțiune între moleculele de apă cunoscut sub numele de legătură de hidrogen, în care sarcinile opuse se atrag reciproc.

Acest lucru conferă apei proprietăți care, în multe cazuri, încalcă tendințele observate pentru alte lichide simple. De exemplu, spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe, o masă fixă de apă ocupă mai mult spațiu ca solid (gheață) decât ca (lichid) din cauza modului în care moleculele sale formează o structură regulată specifică. Un alt exemplu este tensiunea superficială a apei lichide, care este de aproximativ două ori mai mare decât cea a altor lichide nepolare, mai simple.

Apa este destul de simplă, dar nu prea simplă. Acest lucru înseamnă că o posibilitate de a explica aparenta fază suplimentară a apei este aceea că se comportă un pic ca un cristal lichid. Legăturile de hidrogen dintre molecule mențin o anumită ordine la temperaturi scăzute, dar în cele din urmă ar putea lua o a doua fază lichidă, mai puțin ordonată, la temperaturi mai ridicate. Acest lucru ar putea explica îndoiturile observate de cercetători în datele lor.

Dacă se confirmă, descoperirile autorilor ar putea avea multe aplicații. De exemplu, dacă schimbările din mediul înconjurător (cum ar fi temperatura) cauzează modificări ale proprietăților fizice ale unei substanțe, atunci acest lucru poate fi potențial utilizat pentru aplicații de detecție. Poate mai fundamental, sistemele biologice sunt alcătuite în cea mai mare parte din apă. Modul în care moleculele biologice (cum ar fi proteinele) interacționează unele cu altele depinde probabil de modul specific în care moleculele de apă se aranjează pentru a forma o fază lichidă. Înțelegerea modului în care moleculele de apă se aranjează în medie la diferite temperaturi ar putea arunca lumină asupra funcționării modului în care acestea interacționează în sistemele biologice.

Descoperirea este o oportunitate interesantă pentru teoreticieni și experimentaliști și un exemplu frumos al modului în care chiar și cea mai familiară substanță are încă secrete care se ascund în ea.

Acest articol a apărut inițial la The Conversation. Urmăriți @US_conversation pe Twitter.

.