Forskare har upptäckt ett nytt tillstånd för vatten
En av de mest grundläggande sakerna vi får lära oss i skolans naturvetenskapliga ämnen är att vatten kan existera i tre olika tillstånd, antingen som fast is, flytande vatten eller gasånga. Men ett internationellt forskarlag har nyligen funnit tecken på att flytande vatten faktiskt kan finnas i två olika tillstånd.
I en experimentell artikel som publicerades i International Journal of Nanotechnology, blev forskarna förvånade över att finna att ett antal fysikaliska egenskaper hos vatten ändrar sitt beteende mellan 50 ℃ och 60 ℃. Detta tecken på en potentiell förändring till ett andra flytande tillstånd kan utlösa en hetsig diskussion i forskarsamhället. Och om det bekräftas kan det få konsekvenser för en rad områden, inklusive nanoteknik och biologi.
Materiens tillstånd, även kallade ”faser”, är ett nyckelbegrepp i studiet av system som består av atomer och molekyler. Grovt sett kan ett system som består av många molekyler arrangeras i ett visst antal konfigurationer beroende på dess totala energi. Vid högre temperaturer (och därmed högre energier) har molekylerna fler möjliga konfigurationer och är därför mer oorganiserade och kan röra sig relativt fritt (gasfasen). Vid lägre temperaturer har molekylerna ett mer begränsat antal konfigurationer och bildar därför en mer ordnad fas (en vätska). Om temperaturen sjunker ytterligare ordnar de sig i en mycket specifik konfiguration och bildar ett fast ämne.
Denna bild är vanlig för relativt enkla molekyler som koldioxid eller metan, som har tre tydliga, olika tillstånd (vätska, fast ämne och gas). Men för mer komplexa molekyler finns det ett större antal möjliga konfigurationer och detta ger upphov till fler faser. En vacker illustration av detta är det rika beteendet hos flytande kristaller, som bildas av komplexa organiska molekyler och som kan flyta som vätskor, men som ändå har en fast kristallstruktur.
Eftersom ett ämnes fas bestäms av hur molekylerna är konfigurerade kommer många fysiska egenskaper hos ämnet att förändras plötsligt när det går från ett tillstånd till ett annat. I den nyligen publicerade artikeln mätte forskarna flera avslöjande fysiska egenskaper hos vatten vid temperaturer mellan 0 ℃ och 100 ℃ under normala atmosfäriska förhållanden (vilket innebär att vattnet var en vätska). Överraskande nog fann de en knäckning i egenskaper som vattnets ytspänning och dess brytningsindex (ett mått på hur ljuset färdas genom det) vid cirka 50℃.
Särskild struktur
Hur kan detta vara möjligt? Strukturen hos en vattenmolekyl, H₂O, är mycket intressant och kan föreställas som en slags pilspets, där de två väteatomerna flankerar syreatomen längst upp. Elektronerna i molekylen tenderar att fördelas på ett ganska asymmetriskt sätt, vilket gör syrgassidan negativt laddad i förhållande till vätesidan. Denna enkla strukturella egenskap leder till en typ av interaktion mellan vattenmolekyler som kallas vätebindning, där de motsatta laddningarna drar till sig varandra.
Detta ger vatten egenskaper som i många fall bryter mot de trender som observerats för andra enkla vätskor. Till skillnad från de flesta andra ämnen tar till exempel en fast massa vatten mer plats som fast ämne (is) än som vätska (vätska) på grund av att vattenmolekylerna bildar en särskild regelbunden struktur. Ett annat exempel är ytspänningen hos flytande vatten, som är ungefär dubbelt så stor som hos andra opolära, enklare vätskor.
Vatten är tillräckligt enkelt, men inte för enkelt. Detta innebär att en möjlighet att förklara vattnets uppenbara extra fas är att det beter sig lite som en flytande kristall. Vätgasbindningarna mellan molekylerna håller en viss ordning vid låga temperaturer, men kan så småningom anta en andra, mindre ordnad flytande fas vid högre temperaturer. Detta skulle kunna förklara de knutar som forskarna observerade i sina data.
Om de bekräftas skulle författarnas resultat kunna ha många tillämpningar. Om till exempel förändringar i miljön (t.ex. temperatur) orsakar förändringar i ett ämnes fysiska egenskaper kan detta potentiellt användas för sensorer. Kanske mer grundläggande är att biologiska system till största delen består av vatten. Hur biologiska molekyler (t.ex. proteiner) interagerar med varandra beror sannolikt på det specifika sätt på vilket vattenmolekylerna arrangerar sig för att bilda en flytande fas. Att förstå hur vattenmolekyler ordnar sig i genomsnitt vid olika temperaturer skulle kunna kasta ljus över hur de interagerar i biologiska system.
Upptäckten är en spännande möjlighet för teoretiker och experimentalister, och ett vackert exempel på hur även den mest välkända substansen fortfarande har hemligheter som gömmer sig i den.
Detta inlägg dök ursprungligen upp på The Conversation. Följ @US_conversation på Twitter.