Jedną z najbardziej podstawowych rzeczy, których uczymy się na szkolnych zajęciach przyrodniczych, jest to, że woda może istnieć w trzech różnych stanach, zarówno jako lód stały, woda płynna, jak i gaz parowy. Ale międzynarodowy zespół naukowców odkrył ostatnio oznaki, że ciekła woda może faktycznie pochodzić z dwóch różnych stanów.
W artykule eksperymentalnym opublikowanym w czasopiśmie International Journal of Nanotechnology badacze byli zaskoczeni stwierdzeniem, że szereg właściwości fizycznych wody zmienia ich zachowanie w zakresie od 50 ℃ do 60 ℃. Ten znak potencjalnej zmiany na drugi stan płynny może wywołać gorącą dyskusję w środowisku naukowym. A jeśli zostanie to potwierdzone, może to mieć wpływ na szereg dziedzin, w tym nanotechnologię i biologię.
Stany materii, zwane także „fazami”, są kluczową koncepcją w badaniach układów zbudowanych z atomów i cząsteczek. Z grubsza mówiąc, układ utworzony z wielu cząsteczek można ustawić w pewnej liczbie konfiguracji w zależności od jego całkowitej energii. W wyższych temperaturach (a zatem i wyższych energiach) cząsteczki mają więcej możliwych konfiguracji, a zatem są bardziej zdezorganizowane i mogą poruszać się stosunkowo swobodnie (faza gazowa). W niższych temperaturach cząsteczki mają bardziej ograniczoną liczbę konfiguracji i dlatego tworzą bardziej uporządkowaną fazę (ciecz). Jeśli temperatura spadnie dalej, układają się w bardzo konkretną konfigurację, tworząc ciało stałe.
Ten obraz jest wspólny dla stosunkowo prostych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla lub metan, które mają trzy jasne, różne stany (ciecz, ciało stałe i gaz). Ale w przypadku bardziej złożonych cząsteczek istnieje większa liczba możliwych konfiguracji, co powoduje powstanie większej liczby faz. Piękną ilustracją tego jest bogate zachowanie ciekłych kryształów, które są tworzone przez złożone cząsteczki organiczne i mogą płynąć jak ciecze, ale wciąż mają stałą strukturę krystaliczną
Ponieważ faza substancji zależy od konfiguracji jej cząsteczek, wiele właściwości fizycznych tej substancji zmienia się nagle w miarę przechodzenia 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). Co zaskakujące, odkryli załamanie we właściwościach, takich jak napięcie powierzchniowe wody i jej współczynnik załamania (miara tego, jak światło przez nią przepływa) w temperaturze około 50 ℃.
Jak to może być? Struktura cząsteczki wody, H2O, jest bardzo interesująca i można ją przedstawić jak rodzaj strzałki, z dwoma atomami wodoru flankującymi atom tlenu na górze. Elektrony w cząsteczce są zwykle rozmieszczone w sposób raczej asymetryczny, co powoduje, że strona tlenu jest naładowana ujemnie w stosunku do strony wodoru. Ta prosta cecha strukturalna prowadzi do pewnego rodzaju interakcji między cząsteczkami wody zwanymi wiązaniami wodorowymi, w których przyciągają się przeciwne ładunki.
Daje to właściwości wody, które w wielu przypadkach przełamują trendy obserwowane w przypadku innych prostych cieczy. Na przykład, w przeciwieństwie do większości innych substancji, stała masa wody zajmuje więcej miejsca jako ciało stałe (lód) niż jako (ciecz) ze względu na sposób, w jaki cząsteczki tworzą określoną regularną strukturę. Innym przykładem jest napięcie powierzchniowe ciekłej wody, które jest około dwa razy większe niż innych niepolarnych, prostszych cieczy.
Woda jest dość prosta, ale niezbyt prosta. Oznacza to, że jedną z możliwości wyjaśnienia pozornej dodatkowej fazy wody jest to, że zachowuje się trochę jak ciekły kryształ. Wiązania wodorowe między cząsteczkami utrzymują pewien porządek w niskich temperaturach, ale ostatecznie mogą zająć drugą, mniej uporządkowaną fazę ciekłą w wyższych temperaturach. To może tłumaczyć załamania zaobserwowane przez badaczy w ich danych.
Jeśli zostanie to potwierdzone, ustalenia autorów mogą mieć wiele zastosowań. Na przykład, jeśli zmiany w otoczeniu (takie jak temperatura) powodują zmiany właściwości fizycznych substancji, można to potencjalnie wykorzystać do wykrywania. Być może bardziej fundamentalnie, systemy biologiczne zbudowane są głównie z wody. To, w jaki sposób cząsteczki biologiczne (takie jak białka) oddziałują na siebie, prawdopodobnie zależy od konkretnego sposobu, w jaki cząsteczki wody układają się w fazę ciekłą. Zrozumienie, w jaki sposób cząsteczki wody układają się średnio w różnych temperaturach, może rzucić światło na działanie ich interakcji w układach biologicznych.
Odkrycie to ekscytująca okazja dla teoretyków i eksperymentalistów oraz piękny przykład tego, że nawet najbardziej znana substancja wciąż kryje w sobie tajemnice.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.
