Tutkijat ovat löytäneet veden uuden tilan

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Yksi perusasiat, joita opimme koulussa luonnontieteiden tunneilla, on, että vesi voi olla kolmessa eri tilassa: kiinteässä jäässä, nestemäisessä vedessä tai kaasumaisessa höyryssä. Mutta äskettäin kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt merkkejä siitä, että nestemäistä vettä voi todella olla kahdessa eri tilassa.

Suorittaessaan tutkimustyötä - tulokset julkaistiin myöhemmin International Journal of Nanotechnology -lehdessä, tiedemiehet havaitsivat yllättäen, että useat ominaisuudet muuttuvat vedessä, jonka lämpötila on 50-60 ℃. Tämä merkki veden mahdollisesta toisen nestemäisen tilan olemassaolosta on herättänyt kiivasta keskustelua tieteellisissä piireissä. Jos löytö vahvistetaan, se löytää sovelluksia monilla aloilla, mukaan lukien nanoteknologia ja biologia.

Aggregaattitilat, joita kutsutaan myös "vaiheiksi", ovat atomi- ja molekyylisysteemiteorian avainkäsite. Karkeasti sanottuna monista molekyyleistä koostuva järjestelmä voidaan järjestää tietyn määrän konfiguraatioiden muotoon riippuen sen kokonaisenergiamäärästä. Korkeissa lämpötiloissa (ja siksi korkeammalla energiatasolla) molekyyleille on saatavilla suurempi määrä konfiguraatioita, eli ne ovat vähemmän jäykästi organisoituneita ja liikkuvat suhteellisen vapaasti (kaasufaasi). Alemmissa lämpötiloissa molekyyleillä on vähemmän konfiguraatioita ja ne ovat organisoituneemmassa (nestemäisessä) faasissa. Jos lämpötila laskee vielä alemmas, ne ottavat yhden tietyn muodon ja muodostavat kiinteän aineen.

Tämä on yleinen tilanne suhteellisen yksinkertaisille molekyyleille, kuten hiilidioksidille tai metaanille, joilla on kolme eri tilaa (neste, kiinteä ja kaasu). Mutta monimutkaisemmilla molekyyleillä on suurempi määrä mahdollisia konfiguraatioita, mikä tarkoittaa, että vaiheiden lukumäärä kasvaa. Erinomaisena esimerkkinä tästä on nestekiteiden kaksoiskäyttäytyminen, jotka muodostuvat orgaanisten molekyylien komplekseista ja voivat virrata kuten nesteet, mutta säilyttävät silti kiinteän kiderakenteen.

Koska aineen faasit määräytyvät sen molekyylikonfiguraation mukaan, monet fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat dramaattisesti, kun aine siirtyy tilasta toiseen. Edellä mainitussa tutkimuksessa tutkijat mittasivat useita 0-100 ℃ veden säätelyominaisuuksia normaaleissa ilmakehän olosuhteissa (niin että vesi on nestemäistä). Yllättäen he löysivät dramaattisia vaihteluita ominaisuuksissa, kuten veden pintajännitys ja taitekerroin (indeksi, joka heijastaa valon kulkemista veden läpi) noin 50 ℃:n lämpötilassa.

Erityinen rakenne

Kuinka tämä on mahdollista? Vesimolekyylin H2O rakenne on erittäin mielenkiintoinen ja se voidaan kuvata eräänlaisena nuolena, jossa happiatomi sijaitsee yläosassa ja kaksi vetyatomia "seuraa" sitä kyljestä. Molekyyleissä elektronit ovat yleensä jakautuneet epäsymmetrisesti, minkä vuoksi molekyyli saa negatiivisen varauksen happipuolelta verrattuna vetypuolelle. Tämä yksinkertainen rakenteellinen piirre johtaa siihen, että vesimolekyylit alkavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tietyllä tavalla, niiden vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa muodostaen niin sanotun vetysidoksen.

Tämän ansiosta vesi voi monissa tapauksissa käyttäytyä eri tavalla kuin muut yksinkertaiset nesteet ovat havainneet. Esimerkiksi, toisin kuin useimmat muut aineet, tietty massa vettä vie enemmän tilaa kiinteässä tilassa (jään muodossa) kuin nestemäisessä tilassa, koska sen molekyylit muodostavat tietyn säännöllisen rakenteen. Toinen esimerkki on nestemäisen veden pintajännitys, joka on kaksi kertaa suurempi kuin muiden ei-polaaristen, yksinkertaisempien nesteiden.

Vesi on melko yksinkertaista, mutta ei ylivoimaista. Tämä tarkoittaa, että ainoa selitys ilmaantuneelle veden lisäfaasille on se, että se käyttäytyy vähän kuin nestekide. Molekyylien väliset vetysidokset säilyttävät tietyn järjestyksen matalissa lämpötiloissa, mutta ne voivat myös tulla toiseen, vapaampaan tilaan lämpötilan noustessa. Tämä selittää tutkijoiden tutkimuksen aikana havaitsemat merkittävät poikkeamat.

Jos tämä vahvistetaan, tekijöiden päätelmillä voi olla monia käyttötarkoituksia. Esimerkiksi, jos ympäristön (esim. lämpötilan) muutokset aiheuttavat muutoksia aineen fysikaalisissa ominaisuuksissa, voidaan teoriassa käyttää luotauslaitteiston luomiseen. Tai voit lähestyä sitä perustavanlaatuisemmin - biologiset järjestelmät koostuvat pääasiassa vedestä. Se, miten orgaaniset molekyylit (kuten proteiinit) ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, riippuu todennäköisesti siitä, kuinka vesimolekyylit muodostavat nestefaasin. Jos ymmärrät, kuinka vesimolekyylit käyttäytyvät keskimäärin eri lämpötiloissa, voit selvittää, kuinka ne toimivat vuorovaikutuksessa biologisissa järjestelmissä.

Tämä löytö on loistava tilaisuus teoreetiikoille ja kokeilijoille sekä erinomainen esimerkki siitä, että jopa tutuin aine voi kätkeä salaisuuksia itsessään.

Rodrigo Ledesma Aguilar