Znanstvenici su otkrili novo stanje vode

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Jedna od osnovnih stvari koje učimo na nastavi prirodoslovlja u školi je da voda može postojati u tri različita stanja: čvrsti led, tekuća voda ili plinovita para. No nedavno je međunarodni tim znanstvenika pronašao znakove da tekuća voda zapravo može postojati u dva različita stanja.

Provodeći istraživački rad - rezultati su kasnije objavljeni u International Journal of Nanotechnology - znanstvenici su neočekivano otkrili da se brojna svojstva mijenjaju u vodi s temperaturom od 50 do 60 ℃. Ovaj znak mogućeg postojanja drugog tekućeg stanja vode izazvao je burnu raspravu u znanstvenim krugovima. Ako se potvrdi, otkriće će naći primjenu u mnogim područjima, uključujući nanotehnologiju i biologiju.

Agregatna stanja, koja se nazivaju i "faze", ključni su koncept teorije sustava atoma i molekula. Grubo govoreći, sustav koji se sastoji od mnogo molekula može se organizirati u obliku određenog broja konfiguracija ovisno o njegovoj ukupnoj količini energije. Pri visokim temperaturama (a time i na višoj energetskoj razini) molekulama je dostupan veći broj konfiguracija, odnosno manje su kruto organizirane i kreću se relativno slobodno (plinska faza). Na nižim temperaturama, molekule imaju manje konfiguracija i nalaze se u organiziranijoj (tekućoj) fazi. Ako temperatura padne još niže, oni će poprimiti jednu određenu konfiguraciju i formirati krutu tvar.

Ovo je opće stanje stvari za relativno jednostavne molekule kao što su ugljični dioksid ili metan, koje imaju tri različita stanja (tekuće, kruto i plinovito). Ali složenije molekule imaju veći broj mogućih konfiguracija, što znači da se broj faza povećava. Izvrsna ilustracija toga je dvostruko ponašanje tekućih kristala, koji nastaju od kompleksa organskih molekula i mogu teći poput tekućina, ali i dalje zadržavaju čvrstu kristalnu strukturu.

Budući da su faze tvari određene njezinom molekularnom konfiguracijom, mnoga se fizička svojstva dramatično mijenjaju kada tvar prijeđe iz jednog stanja u drugo. U prethodno spomenutoj studiji znanstvenici su izmjerili nekoliko kontrolnih svojstava vode između 0 i 100 ℃ u normalnim atmosferskim uvjetima (tako da je voda tekuća). Neočekivano, otkrili su dramatične varijacije u svojstvima kao što su površinska napetost vode i indeks loma (indeks koji odražava kako svjetlost putuje kroz vodu) na temperaturi od oko 50 ℃.

Posebna struktura

Kako je ovo moguće? Struktura molekule vode, H₂O, vrlo je zanimljiva i može se prikazati kao svojevrsna strelica, gdje se atom kisika nalazi na vrhu, a dva atoma vodika ga "prate" s bokova. Elektroni u molekulama imaju tendenciju da se rasporede asimetrično, zbog čega molekula prima negativan naboj sa strane kisika u odnosu na stranu vodika. Ova jednostavna strukturna značajka dovodi do činjenice da molekule vode počinju međusobno djelovati na određeni način, privlače se njihovi suprotni naboji, tvoreći takozvanu vodikovu vezu.

To omogućuje da se voda u mnogim slučajevima ponaša drugačije od onoga što su primijetile druge jednostavne tekućine. Na primjer, za razliku od većine drugih tvari, određena masa vode zauzima više prostora u čvrstom stanju (u obliku leda) nego u tekućem stanju, zbog činjenice da njezine molekule tvore specifičnu pravilnu strukturu. Drugi primjer je površinska napetost tekuće vode, koja je dvostruko veća od ostalih nepolarnih, jednostavnijih tekućina.

Voda je prilično jednostavna, ali nije pretjerana. To znači da je jedino objašnjenje za dodatnu fazu vode koja se manifestirala da se ponaša malo kao tekući kristal. Vodikove veze između molekula održavaju određeni red na niskim temperaturama, ali mogu doći i u drugo, slobodnije stanje s porastom temperature. To objašnjava značajna odstupanja koja su znanstvenici uočili tijekom istraživanja.

Ako se to potvrdi, zaključci autora mogu imati mnogo koristi. Na primjer, ako promjene u okolišu (recimo, temperatura) povlače promjene u fizikalnim svojstvima tvari, teoretski se to može iskoristiti za stvaranje sondiranja. Ili mu možete pristupiti temeljnije - biološki sustavi se uglavnom sastoje od vode. Način na koji organske molekule (kao što su proteini) međudjeluju jedna s drugom vjerojatno će ovisiti o tome kako molekule vode tvore tekuću fazu. Ako razumijete kako se molekule vode u prosjeku ponašaju na različitim temperaturama, možete razjasniti njihovu interakciju u biološkim sustavima.

Ovo otkriće odlična je prilika za teoretičare i eksperimentatore, kao i izvrstan primjer činjenice da čak i najpoznatija tvar može sakriti tajne u sebi.

Rodrigo Ledesma Aguilar