Wetenschappers hebben een nieuwe materiestaat voor water ontdekt

Een van de meest elementaire dingen die ons in de natuurkundelessen op school wordt geleerd, is dat water in drie verschillende toestanden kan bestaan, hetzij als vast ijs, vloeibaar water of dampgas. Maar een internationaal team van wetenschappers heeft onlangs aanwijzingen gevonden dat vloeibaar water eigenlijk in twee verschillende toestanden zou kunnen bestaan.

In een experimenteel artikel, gepubliceerd in het International Journal of Nanotechnology, ontdekten de onderzoekers tot hun verrassing dat een aantal fysische eigenschappen van water hun gedrag veranderen tussen 50℃ en 60℃. Dit teken van een mogelijke verandering naar een tweede vloeibare toestand zou een verhitte discussie in de wetenschappelijke gemeenschap op gang kunnen brengen.

De toestanden van de materie, ook wel “fasen” genoemd, zijn een sleutelbegrip bij de bestudering van systemen die uit atomen en moleculen bestaan. Grofweg kan een systeem dat uit vele moleculen bestaat, worden gerangschikt in een bepaald aantal configuraties, afhankelijk van de totale energie. Bij hogere temperaturen (en dus hogere energieën) hebben de moleculen meer mogelijke configuraties en zijn ze dus meer ongeorganiseerd en kunnen ze zich relatief vrij bewegen (de gasfase). Bij lagere temperaturen hebben de moleculen een beperkter aantal configuraties en vormen zij dus een meer geordende fase (een vloeistof). Als de temperatuur nog verder daalt, ordenen ze zich in een zeer specifieke configuratie, waardoor een vaste stof ontstaat.

Dit beeld is gebruikelijk voor relatief eenvoudige moleculen zoals kooldioxide of methaan, die drie duidelijke, verschillende toestanden hebben (vloeibaar, vast en gas). Maar voor complexere moleculen is er een groter aantal mogelijke configuraties en dit geeft aanleiding tot meer fasen. Een mooie illustratie hiervan is het rijke gedrag van vloeibare kristallen, die worden gevormd door complexe organische moleculen en kunnen vloeien als vloeistoffen, maar toch een vaste-achtige kristallijne structuur hebben.

Omdat de fase van een stof wordt bepaald door hoe de moleculen zijn geconfigureerd, zullen veel fysische eigenschappen van die stof abrupt veranderen wanneer deze van de ene toestand naar de andere gaat. In het recente artikel hebben de onderzoekers verschillende fysische eigenschappen van water gemeten bij temperaturen tussen 0℃ en 100℃ onder normale atmosferische omstandigheden (wat betekent dat het water vloeibaar was). Verrassend genoeg vonden ze een knik in eigenschappen zoals de oppervlaktespanning van water en de brekingsindex (een maat voor de manier waarop licht er doorheen reist) bij ongeveer 50℃.

Speciale structuur

Hoe kan dat? De structuur van een watermolecuul, H₂O, is heel interessant en kan worden voorgesteld als een soort pijlpunt, waarbij de twee waterstofatomen het zuurstofatoom aan de bovenkant flankeren. De elektronen in het molecuul hebben de neiging nogal asymmetrisch verdeeld te zijn, waardoor de zuurstofzijde negatief geladen is ten opzichte van de waterstofzijde. Deze eenvoudige structuurkenmerken leiden tot een soort interactie tussen watermoleculen die bekend staat als waterstofbinding, waarbij de tegengestelde ladingen elkaar aantrekken.

Dit geeft water eigenschappen die in veel gevallen de trends doorbreken die voor andere eenvoudige vloeistoffen zijn waargenomen. In tegenstelling tot de meeste andere stoffen neemt een vaste massa water bijvoorbeeld meer plaats in als vaste stof (ijs) dan als vloeistof, omdat de moleculen een specifieke regelmatige structuur vormen. Een ander voorbeeld is de oppervlaktespanning van vloeibaar water, die ruwweg twee keer zo hoog is als die van andere apolaire, eenvoudiger vloeistoffen.

Water is eenvoudig genoeg, maar niet te eenvoudig. Dit betekent dat één mogelijkheid om de schijnbare extra fase van water te verklaren is dat het zich een beetje gedraagt als een vloeibaar kristal. De waterstofbruggen tussen de moleculen houden enige orde bij lage temperaturen, maar zouden uiteindelijk een tweede, minder geordende vloeibare fase kunnen aannemen bij hogere temperaturen. Dit zou de knikken kunnen verklaren die de onderzoekers in hun gegevens hebben waargenomen.

Als de bevindingen van de auteurs worden bevestigd, zouden ze veel toepassingen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, als veranderingen in de omgeving (zoals temperatuur) veranderingen in de fysische eigenschappen van een stof veroorzaken, dan kan dit potentieel worden gebruikt voor sensortoepassingen. Misschien nog fundamenteler: biologische systemen bestaan voor het grootste deel uit water. Hoe biologische moleculen (zoals eiwitten) met elkaar interageren hangt waarschijnlijk af van de specifieke manier waarop watermoleculen zich ordenen om een vloeibare fase te vormen. Begrijpen hoe watermoleculen zich gemiddeld bij verschillende temperaturen ordenen, kan licht werpen op de manier waarop ze in biologische systemen op elkaar inwerken.

De ontdekking is een opwindende kans voor theoretici en experimentalisten, en een prachtig voorbeeld van hoe zelfs de meest bekende stof nog geheimen in zich verborgen houdt.

Dit bericht verscheen oorspronkelijk op The Conversation. Volg @US_conversation op Twitter.