Mokslininkai atrado naują vandens būseną

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Vienas iš pagrindinių dalykų, kurių išmokstame per gamtos mokslų pamokas mokykloje, yra tai, kad vanduo gali egzistuoti trijų skirtingų būsenų: kieto ledo, skysto vandens arba dujinių garų. Tačiau neseniai tarptautinė mokslininkų komanda rado požymių, kad skystas vanduo iš tikrųjų gali egzistuoti dviejose skirtingose būsenose.

Atlikdami mokslinius tyrimus – rezultatai vėliau buvo paskelbti Tarptautiniame nanotechnologijų žurnale – mokslininkai netikėtai atrado, kad vandenyje, kurio temperatūra svyruoja nuo 50 iki 60 ℃, pasikeičia nemažai savybių. Šis antrosios skystos vandens būsenos galimo egzistavimo ženklas sukėlė karštas diskusijas mokslo sluoksniuose. Jei tai bus patvirtinta, atradimas bus pritaikytas daugelyje sričių, įskaitant nanotechnologijas ir biologiją.

Suvestinės būsenos, dar vadinamos „fazėmis“, yra pagrindinė atomų ir molekulių sistemų teorijos sąvoka. Grubiai tariant, sistema, susidedanti iš daugelio molekulių, gali būti organizuota tam tikro skaičiaus konfigūracijų forma, priklausomai nuo jos bendro energijos kiekio. Esant aukštai temperatūrai (taigi ir esant aukštesniam energijos lygiui), molekulėms yra prieinama daugiau konfigūracijų, tai yra, jos yra mažiau tvirtai organizuotos ir gana laisvai juda (dujų fazė). Esant žemesnei temperatūrai, molekulės turi mažiau konfigūracijų ir yra labiau organizuotoje (skystoje) fazėje. Jei temperatūra nukris dar žemiau, jie įgaus vieną konfigūraciją ir suformuos kietą medžiagą.

Tai yra bendra sąlyginai paprastų molekulių, tokių kaip anglies dioksidas arba metanas, kurios turi tris skirtingas būsenas (skysta, kieta ir dujinė) būsena. Tačiau sudėtingesnės molekulės turi daugiau galimų konfigūracijų, o tai reiškia, kad fazių skaičius didėja. Puikiai to iliustruoja dvigubas skystųjų kristalų elgesys, kurie susidaro iš organinių molekulių kompleksų ir gali tekėti kaip skysčiai, tačiau vis tiek išlaiko kietą kristalinę struktūrą.

Kadangi medžiagos fazes lemia jos molekulinė konfigūracija, daugelis fizinių savybių labai pasikeičia, kai medžiaga pereina iš vienos būsenos į kitą. Pirmiau minėtame tyrime mokslininkai išmatavo keletą kontrolinių vandens savybių nuo 0 iki 100 ℃ normaliomis atmosferos sąlygomis (kad vanduo būtų skystas). Netikėtai, esant maždaug 50 ℃ temperatūrai, jie aptiko dramatiškų savybių, tokių kaip vandens paviršiaus įtempis ir lūžio rodiklis (rodiklis, atspindintis, kaip šviesa sklinda vandeniu), skirtumus.

Ypatinga struktūra

Kaip tai įmanoma? Vandens molekulės H₂O struktūra yra labai įdomi ir gali būti pavaizduota kaip savotiška rodyklė, kur deguonies atomas yra viršuje, o du vandenilio atomai jį „lydi“iš šonų. Elektronai molekulėse yra linkę pasiskirstyti asimetriškai, todėl molekulė gauna neigiamą krūvį iš deguonies pusės, palyginti su vandenilio puse. Ši paprasta struktūrinė ypatybė lemia tai, kad vandens molekulės pradeda tam tikru būdu sąveikauti viena su kita, jų priešingi krūviai traukia, sudarydami vadinamąjį vandenilio ryšį.

Tai leidžia vandeniui daugeliu atvejų elgtis kitaip, nei pastebėjo kiti paprasti skysčiai. Pavyzdžiui, skirtingai nuo daugelio kitų medžiagų, tam tikra vandens masė kietoje būsenoje (ledo pavidalu) užima daugiau vietos nei skystoje būsenoje dėl to, kad jo molekulės sudaro specifinę taisyklingą struktūrą. Kitas pavyzdys – skysto vandens paviršiaus įtempis, kuris dvigubai didesnis nei kitų nepolinių, paprastesnių skysčių.

Vanduo yra gana paprastas, bet ne per didelis. Tai reiškia, kad vienintelis pasireiškusios papildomos vandens fazės paaiškinimas yra tai, kad jis elgiasi šiek tiek kaip skystasis kristalas. Vandeniliniai ryšiai tarp molekulių išlaiko tam tikrą tvarką esant žemai temperatūrai, tačiau kylant temperatūrai jie taip pat gali pereiti į kitą, laisvesnę būseną. Tai paaiškina reikšmingus nukrypimus, kuriuos mokslininkai pastebėjo tyrimų metu.

Jei tai pasitvirtins, autorių išvados gali turėti daug naudos. Pavyzdžiui, jei dėl aplinkos pokyčių (tarkime, temperatūros) pasikeičia medžiagos fizinės savybės, teoriškai tai gali būti panaudota garso įrangai sukurti. Arba galite žiūrėti iš esmės – biologines sistemas daugiausia sudaro vanduo. Kaip organinės molekulės (pvz., baltymai) sąveikauja viena su kita, greičiausiai priklausys nuo to, kaip vandens molekulės sudaro skystąją fazę. Jei suprantate, kaip vandens molekulės vidutiniškai elgiasi esant skirtingoms temperatūroms, galite paaiškinti, kaip jos sąveikauja biologinėse sistemose.

Šis atradimas yra puiki galimybė teoretikams ir eksperimentuotojams, taip pat puikus pavyzdys, kad net labiausiai pažįstama medžiaga gali paslėpti savyje paslaptis.

Rodrigo Ledesma Aguilar