Ena najosnovnejših stvari, ki se jih učimo v šolskih poukih naravoslovja, je, da lahko voda obstaja v treh različnih stanjih, bodisi kot trdni led, tekoča voda ali parni plin. Toda mednarodna skupina znanstvenikov je pred kratkim našla znake, da lahko tekoča voda dejansko prihaja v dveh različnih stanjih.
V pisanju v eksperimentalnem prispevku, objavljenem v International Journal of Nanotechnology, so raziskovalci presenečeni, ko so ugotovili, da številne fizikalne lastnosti vode spremenijo njihovo vedenje med 50 60 in 60 ℃. Ta znak morebitne spremembe v drugo tekoče stanje bi lahko sprožil razburjeno razpravo v znanstveni skupnosti. Če je potrjeno, bi to lahko vplivalo na vrsto področij, vključno z nanotehnologijo in biologijo.
Materiali, imenovani tudi "faze", so ključni koncept pri preučevanju sistemov iz atomov in molekul. Grobo rečeno, sistem, sestavljen iz mnogih molekul, je mogoče razporediti v določeno število konfiguracij, odvisno od njegove skupne energije. Pri višjih temperaturah (in s tem višjih energijah) imajo molekule več možnih konfiguracij, zato so bolj neorganizirane in se lahko gibljejo relativno prosto (plinska faza). Pri nižjih temperaturah imajo molekule bolj omejeno število konfiguracij in tako tvorijo bolj urejeno fazo (tekočina). Če se temperatura zniža še dlje, se uredijo v zelo specifični konfiguraciji, ki proizvaja trdno snov.
Ta slika je običajna za razmeroma preproste molekule, kot sta ogljikov dioksid ali metan, ki imajo tri jasna, različna stanja (tekoča, trdna in plinska). Toda pri bolj zapletenih molekulah obstaja večje število možnih konfiguracij in to povzroči več faz. Lepa ponazoritev tega je bogato obnašanje tekočih kristalov, ki jih tvorijo kompleksne organske molekule in lahko tečejo kot tekočine, vendar imajo še vedno trdno podobno kristalno strukturo
Ker je faza snovi določena s tem, kako so njene molekule konfigurirane, se bodo številne fizikalne lastnosti te snovi naglo spremenile, ko prehaja iz enega v drugo stanje. V nedavnem prispevku so raziskovalci izmerili več fizičnih lastnosti vode pri temperaturah med 0 100 in 100 ℃ v normalnih atmosferskih pogojih (kar pomeni, da je bila voda tekočina). Presenetljivo so odkrili lastnosti lastnosti, kot sta vodna napetost vode in njen lomni indeks (merilo, kako svetloba potuje skozi njo) pri približno 50 ℃.
Kako je to lahko? Struktura molekule vode, H2O, je zelo zanimiva in jo je mogoče prikazati kot neke vrste vrha puščice, pri čemer sta dva atoma vodika na vrhu usmerjena atom kisika. Elektroni v molekuli so ponavadi razporejeni na dokaj asimetričen način, zaradi česar je kisikova stran negativno nabita glede na vodikovo stran. Ta preprosta strukturna lastnost vodi v nekakšno interakcijo med vodnimi molekuli, imenovano vezanje vodika, v kateri se nasprotni naboji med seboj privlačijo.
To daje lastnosti vode, ki v mnogih primerih kršijo trende, ki jih opažamo pri drugih preprostih tekočinah. Na primer, za razliko od večine drugih snovi fiksna masa vode zavzame več prostora kot trdna snov (led) kot kot (tekočina) zaradi načina, kako molekule tvorijo določeno pravilno strukturo. Drug primer je površinska napetost tekoče vode, ki je približno dvakrat večja od drugih nepolarnih, enostavnejših tekočin.
Voda je dovolj preprosta, vendar ne preveč preprosta. To pomeni, da je ena možnost za razlago navidezne dodatne faze vode ta, da se malo obnaša kot tekoči kristal. Vodikove vezi med molekulami ohranjajo določen red pri nizkih temperaturah, sčasoma pa lahko traja druga, manj urejena tekoča faza pri višjih temperaturah. To bi lahko pojasnilo kine, ki so jih raziskovalci opazili v svojih podatkih.
Če bodo potrjene, bi lahko ugotovitve avtorjev imele veliko uporab. Na primer, če spremembe v okolju (na primer temperature) povzročijo spremembe v fizikalnih lastnostih snovi, potem se to lahko uporabi za zaznavanje aplikacij. Morda je bolj bistveno, da so biološki sistemi večinoma narejeni iz vode. Kako verjetno pride do interakcije med seboj biološke molekule (na primer beljakovine), je odvisno od posebnega načina, na katerega se molekule vode uredijo, da tvorijo tekočo fazo. Razumevanje, kako se molekule vode v povprečju uredijo pri različnih temperaturah, bi lahko osvetlilo delovanje interakcij v bioloških sistemih.
Odkritje je vznemirljiva priložnost za teoretike in eksperimentaliste in lep primer, kako se celo najbolj znana snov skriva v sebi.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru. Preberite izvirni članek.
