Naukowcy odkryli nowy stan wody

Jedną z podstawowych rzeczy, których uczymy się na lekcjach przyrody w szkole jest to, że woda może występować w trzech różnych stanach: w postaci bryły lodu, ciekłej wody lub pary gazowej. Ale ostatnio międzynarodowy zespół naukowców ustalił, że ciekła woda w rzeczywistości może istnieć w dwóch różnych stanach.

Prowadząc prace badawcze — wyniki zostały opublikowane w International Journal of Nanotechnology — naukowcy nieoczekiwanie odkryli, że w wodzie o temperaturze 50-60 ℃ zamienia się wiele właściwości. Ten objaw ewentualnego istnienia drugiego stanu ciekłego wody rozpalił gorącą dyskusję w kręgach naukowych. Jeśli to się potwierdzi, odkrycie znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym nanotechnologii i biologii.

Stany agregujące (skupienia) nazywane również „fazami”, to pojęcie kluczowe dla nauki o systemach atomów i molekuł. Z grubsza mówiąc, system składający się z mnóstwa molekuł, może być zorganizowany w formie określonej liczby konfiguracji w zależności od całkowitej ilości energii. Przy wysokich temperaturach (a tym samym przy większym poziomie energii) dostępna jest dla molekuł większa liczba konfiguracji, to znaczy, że są mniej ściśle zorganizowane i poruszają się stosunkowo swobodniej (faza gazowa). W niższych temperaturach przy molekułach jest mniej konfiguracji i znajdują się one w bardziej zorganizowanej fazie (płynnej). Jeśli temperatura spadnie jeszcze poniżej, stworzy to jedną konkretną konfigurację i utworzy bryłę.

Jest to ogólny stan dla molekuł prostych, takich jak dwutlenek węgla lub metan, u których łatwo rozróżniamy trzy stany (ciecz, ciało stałe i gaz). Ale przy bardziej złożonych molekułach jest większa liczba możliwych konfiguracji, a więc i ilość faz wzrasta. Doskonała ilustracja tego to podwójne zachowanie ciekłych kryształów, które powstają z kompleksów cząsteczek organicznych i mogą zmieniać się w stan płynny ale zachowują przy tym stałą strukturę krystaliczną.

Ponieważ faza substancji zależy od jej konfiguracji cząsteczkowej wiele właściwości fizycznych zmienia się zasadniczo kiedy substancja przechodzi z jednego stanu w inny. W powyższym badaniu naukowcy mierzyli kilka kontrolnych właściwości wody o temperaturze od 0-100 ℃ przy normalnych warunkach atmosferycznych (aby woda była w stanie płynnym). W badaniu niespodziewanie ukazały się gwałtowne odchylenia takich właściwości jak na przykład napięcie powierzchniowe wody i współczynnik załamania światła (wskaźnik, odzwierciedla jak światło przechodzi przez wodę) w temperaturze około 50℃.

Specjalna struktura

Jak to możliwe? Struktura molekuły wody H₂O, jest bardzo interesująca i może być przedstawiona w postaci pewnego rodzaju strzałki, przy czym atom tlenu znajduje się u góry, a dwa atomy wodoru są „eskortowane” po bokach. Elektrony w molekułach starają się rozdzielić w sposób asymetryczny, z czego ze strony cząsteczki tlenu wychodzi ładunek ujemny w porównaniu ze stroną wodoru. Ta prosta strukturalna cecha powoduje, że cząsteczki wody zaczynają w pewien sposób komunikować się ze sobą, ich przeciwne ładunki przyciągają się, tworząc tak zwane wiązanie wodorowe.

Pozwala to wodzie w wielu przypadkach zachowywać się inaczej niż to robią inne proste ciecze. Na przykład, w przeciwieństwie do większości innych substancji masa wody zajmuje więcej przestrzeni w stanie stałym (w lodzie) niż w cieczy, ze względu na fakt, że molekuły tworzą specyficzną regularną strukturę. Inny przykład – napięcie powierzchniowe wody w stanie ciekłym jest dwa razy większe niż w przypadku innych niepolarnych, bardziej prostych cieczy.

Woda jest dość prosta, ale nie do końca. Znaczy to, że jedynym wyjaśnieniem tego jest dodatkowa faza wody — to, że zachowuje się ona trochę jak ciekły kryształ. Wiązania wodorowe między molekułami utrzymują ustalony porządek przy niskich temperaturach, ale przy wzroście temperatury mogą przechodzić w inny, bardziej swobodny stan. Wyjaśnia to znaczne odchylenia obserwowane przez naukowców podczas badań.

Jeśli wszystko się potwierdzi, wnioski autorów mogą znaleźć wiele zastosowań. Na przykład jeżeli środowisko (np. temperatura) spowoduje zmiany własności fizycznych tej substancji, teoretycznie można wykorzystać to do tworzenia urządzeń sondujących. Lub można podejść bardziej fundamentalnie – biologiczne systemy składają się w zasadzie z wody. To, jak molekuły organiczne (na przykład, proteiny) współdziałają ze sobą, prawdopodobnie zależy od tego jak molekuły wody tworzą fazę płynną. Jeżeli zrozumiemy jak molekuły wody w średniej zachowują się w różnych temperaturach, można będzie wyjaśnić jak one współdziałają w systemach biologicznych.

Odkrycie to jest doskonałą okazją dla teoretyków i eksperymentatorów, a także pięknym przykładem tego, że nawet najbardziej znana substancja może skrywać w sobie tajemnice.

Rodrigo Ledesma Aguilar

źródło

źródło 2