Vedci objavili nový stav vody

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Jedna zo základných vecí, ktoré sa učíme na hodinách prírodných vied v škole, je, že voda môže existovať v troch rôznych skupenstvách: pevný ľad, kvapalná voda alebo plynná para. Nedávno však medzinárodný tím vedcov objavil známky toho, že tekutá voda môže skutočne existovať v dvoch rôznych stavoch.

Počas výskumných prác – výsledky boli neskôr publikované v International Journal of Nanotechnology – vedci nečakane zistili, že množstvo vlastností sa mení vo vode s teplotou 50 až 60 °C. Tento príznak možnej existencie druhého kvapalného skupenstva vody vyvolal búrlivú diskusiu vo vedeckých kruhoch. Ak sa potvrdí, objav nájde uplatnenie v mnohých oblastiach vrátane nanotechnológie a biológie.

Agregátne stavy, ktoré sa tiež nazývajú „fázy“, sú kľúčovým konceptom teórie systémov atómov a molekúl. Zhruba povedané, systém pozostávajúci z mnohých molekúl môže byť organizovaný vo forme určitého počtu konfigurácií v závislosti od jeho celkového množstva energie. Pri vysokých teplotách (a teda na vyššej energetickej úrovni) majú molekuly k dispozícii väčší počet konfigurácií, to znamená, že sú menej pevne organizované a pohybujú sa relatívne voľne (plynná fáza). Pri nižších teplotách majú molekuly menej konfigurácií a sú vo viac organizovanej (tekutej) fáze. Ak teplota klesne ešte nižšie, zaujmú jednu určitú konfiguráciu a vytvoria pevnú látku.

Toto je všeobecný stav pre relatívne jednoduché molekuly, ako je oxid uhličitý alebo metán, ktoré majú tri odlišné stavy (kvapalina, tuhá látka a plyn). Ale zložitejšie molekuly majú väčší počet možných konfigurácií, čo znamená, že sa zvyšuje počet fáz. Výbornou ilustráciou toho je duálne správanie tekutých kryštálov, ktoré sa tvoria z komplexov organických molekúl a môžu tiecť ako kvapaliny, no stále si zachovávajú pevnú kryštalickú štruktúru.

Keďže fázy látky sú určené jej molekulárnou konfiguráciou, mnohé fyzikálne vlastnosti sa dramaticky menia, keď látka prechádza z jedného stavu do druhého. Vo vyššie uvedenej štúdii vedci namerali niekoľko kontrolných vlastností vody medzi 0 a 100 ℃ za normálnych atmosférických podmienok (takže voda je tekutá). Neočakávane našli dramatické zmeny vo vlastnostiach, ako je povrchové napätie vody a index lomu (index, ktorý odráža, ako svetlo prechádza vodou) pri teplote asi 50 ° C.

Špeciálna štruktúra

Ako je to možné? Štruktúra molekuly vody, H₂O, je veľmi zaujímavá a dá sa znázorniť ako druh šípky, kde je atóm kyslíka umiestnený navrchu a dva atómy vodíka ho „sprevádzajú“z bokov. Elektróny v molekulách majú tendenciu byť distribuované asymetricky, čo je dôvod, prečo molekula dostáva záporný náboj z kyslíkovej strany v porovnaní s vodíkovou stranou. Táto jednoduchá štrukturálna vlastnosť vedie k tomu, že molekuly vody začnú určitým spôsobom medzi sebou interagovať, ich opačné náboje sa priťahujú a vytvárajú takzvanú vodíkovú väzbu.

To umožňuje, aby sa voda v mnohých prípadoch správala odlišne od toho, čo pozorovali iné jednoduché kvapaliny. Napríklad na rozdiel od väčšiny iných látok zaberá určitá masa vody v pevnom skupenstve (vo forme ľadu) viac miesta ako v kvapalnom, a to vďaka tomu, že jej molekuly tvoria špecifickú pravidelnú štruktúru. Ďalším príkladom je povrchové napätie kvapalnej vody, ktoré je dvojnásobné v porovnaní s inými nepolárnymi, jednoduchšími kvapalinami.

Voda je celkom jednoduchá, ale nie ohromujúca. To znamená, že jediné vysvetlenie pre dodatočnú fázu vody, ktorá sa prejavila, je, že sa správa trochu ako tekutý kryštál. Vodíkové väzby medzi molekulami si pri nízkych teplotách zachovávajú určitý poriadok, no s rastúcou teplotou môžu prejsť aj do iného, voľnejšieho stavu. To vysvetľuje výrazné odchýlky, ktoré vedci pozorovali počas výskumu.

Ak sa to potvrdí, závery autorov môžu mať mnohoraké využitie. Napríklad, ak zmeny v prostredí (povedzme, teplota) majú za následok zmeny fyzikálnych vlastností látky, teoreticky to možno použiť na vytvorenie zvukového zariadenia. Alebo sa k tomu dá priblížiť zásadnejšie – biologické systémy sú zložené prevažne z vody. To, ako organické molekuly (napríklad proteíny) medzi sebou interagujú, bude pravdepodobne závisieť od toho, ako molekuly vody tvoria kvapalnú fázu. Ak pochopíte, ako sa molekuly vody správajú v priemere pri rôznych teplotách, môžete objasniť, ako interagujú v biologických systémoch.

Tento objav je skvelou príležitosťou pre teoretikov a experimentátorov, ako aj výborným príkladom toho, že aj tá najznámejšia látka môže v sebe skrývať tajomstvá.

Rodrigo Ledesma Aguilar