Naučnici su otkrili novo stanje vode

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Jedna od osnovnih stvari koje učimo na časovima prirodnih nauka u školi je da voda može postojati u tri različita stanja: čvrsti led, tečna voda ili gasovita para. Ali nedavno je međunarodni tim naučnika pronašao znakove da tečna voda zapravo može postojati u dva različita stanja.

Tokom istraživačkog rada - rezultati su kasnije objavljeni u Međunarodnom časopisu za nanotehnologiju - naučnici su neočekivano otkrili da se brojna svojstva mijenjaju u vodi na temperaturi od 50 do 60 ℃. Ovaj znak mogućeg postojanja drugog tečnog stanja vode izazvao je žestoku debatu u naučnim 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 sistema atoma i molekula. Grubo govoreći, sistem koji se sastoji od mnogo molekula može se organizovati u obliku određenog broja konfiguracija u zavisnosti od njegove ukupne količine energije. Na visokim temperaturama (a samim tim i na višem energetskom nivou) molekulima je dostupan veći broj konfiguracija, odnosno manje su kruto organizirani i kreću se relativno slobodno (gasna faza). Na nižim temperaturama, molekuli imaju manje konfiguracija i nalaze se u organiziranijoj (tečnoj) fazi. Ako temperatura padne još niže, oni će poprimiti jednu određenu konfiguraciju i formirati čvrstu supstancu.

Ovo je generalno stanje stvari za relativno jednostavne molekule kao što su ugljični dioksid ili metan, koji imaju tri različita stanja (tečno, čvrsto i plinovito). Ali složeniji molekuli imaju veći broj mogućih konfiguracija, što znači da se broj faza povećava. Odlična ilustracija ovoga je dvostruko ponašanje tekućih kristala, koji su formirani od kompleksa organskih molekula i mogu teći poput tekućine, ali i dalje zadržavaju čvrstu kristalnu strukturu.

Budući da su faze supstance određene njenom molekularnom konfiguracijom, mnoga fizička svojstva se dramatično mijenjaju kada supstanca prijeđe iz jednog stanja u drugo. U prethodno spomenutoj studiji, naučnici su izmjerili nekoliko kontrolnih svojstava vode između 0 i 100 ℃ u normalnim atmosferskim uslovima (tako da je voda tečna). Neočekivano, otkrili su dramatične varijacije u svojstvima kao što su površinski napon vode i indeks prelamanja (indeks koji odražava kako svjetlost putuje kroz vodu) na temperaturi od oko 50 ℃.

Posebna struktura

Kako je to moguće? Struktura molekule vode, H₂O, veoma je zanimljiva i može se prikazati kao neka vrsta strelice, gde se atom kiseonika nalazi na vrhu, a dva atoma vodonika ga "prate" sa bokova. Elektroni u molekulima imaju tendenciju da se raspoređuju asimetrično, zbog čega molekul prima negativan naboj sa strane kiseonika u odnosu na stranu vodika. Ova jednostavna strukturna karakteristika dovodi do činjenice da molekule vode počinju međusobno djelovati na određeni način, njihovi suprotni naboji se privlače, tvoreći takozvanu vodikovu vezu.

Ovo omogućava vodi da se u mnogim slučajevima ponaša drugačije od onoga što su primijetile druge jednostavne tekućine. Na primjer, za razliku od većine drugih supstanci, određena masa vode zauzima više prostora u čvrstom stanju (u obliku leda) nego u tekućem stanju, zbog činjenice da njeni molekuli formiraju specifičnu pravilnu strukturu. Drugi primjer je površinski napon tekuće vode, koji je dvostruko veći od drugih nepolarnih, jednostavnijih tekućina.

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

Ako se ovo potvrdi, zaključci autora mogu imati mnogo koristi. Na primjer, ako promjene u okolini (recimo, temperatura) dovode do promjena u fizičkim svojstvima tvari, teoretski se to može koristiti za stvaranje opreme za sondiranje. Ili možete pristupiti fundamentalnije - biološki sistemi se uglavnom sastoje od vode. Način na koji organski molekuli (kao što su proteini) međusobno komuniciraju će vjerovatno zavisiti od toga kako molekuli vode formiraju tečnu fazu. Ako shvatite kako se molekuli vode u prosjeku ponašaju na različitim temperaturama, možete razjasniti njihovu interakciju u biološkim sistemima.

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

Rodrigo Ledesma Aguilar