Znanstvenici sa Sveučilišta u Tokiju detaljno su proučavali strukturu vode kao tekućine i ustanovili da njezina svojstva ovise o omjeru dvofaznih stanja.
Svatko zna da se svojstva vode razlikuju od većine tekućina: ona se širi kad se ledi (dakle led je lakši), kad se skuplja, smanjuje joj se viskoznost itd. Ova naizgled anomalna svojstva objašnjavaju nam u školi prisutnošću vodikovih veza između molekula. Međutim, detalji se još uvijek slabo razumiju, iako je tema izuzetno važna i za kemiju i za fiziku. Specifična svojstva vode također se koriste u medicini i tehničkim disciplinama.
Institut industrijskih znanosti Sveučilišta u Tokiju uspio je napredovati u razumijevanju fenomena strukture vode.
Voda u tekućem stanju tvori tetraedarske strukture lokalne prirode koje nastaju uz pomoć vodikovih veza - to je već odavno poznato. Japanski su znanstvenici utvrdili da voda nije samo "nesređena voda" u kojoj plutaju "čestice" "tetraedarske vode": sustav ima dijagram stanja sličan čvrstim fazama.
Razvijen je model koji tekuću vodu razmatra kao sustav koji se sastoji od dvije faze. Prvo je nesređeno stanje s velikom rotacijskom simetrijom. Jednostavno rečeno, ovo je odsutnost bilo kakvog određenog uzorka u "smjerovima" molekula u tekućini. Druga faza nije samo tetraedrično uređena, već je i termodinamički u neravnotežnom stanju. Interakcija ovih stanja opisana je lambda parametrom (λ), čije je fizičko značenje procjena relativne snage međumolekularnih interakcija para i trojki. Odnosno, uobičajeno, između dvije slobodne molekule i između molekula koje čine tetraedarsku strukturu. U skladu s tim, povećanje parametra λ ukazuje na povećanje uređenosti sustava.
Ovaj model izgleda jednostavno, ali dobro predviđa nenormalno ponašanje vode kao tekućine.
Jedan od vođa studije, John Russo, objašnjava: "… Kako se λ povećava, tetraedarske ljuske koje nastaju oko svake molekule postaju energetski stabilnije." To nadoknađuje potrošnju energije za uređenje strukture u cjelini. Znanstvenici su, mijenjajući λ, oblikovali dijagrame faznog stanja, čija struktura može biti prilično neočekivana. Dakle, slika s lijeve strane prikazuje strukturu vode tipa Si34 - nastaje pod negativnim pritiskom. Štoviše, njegova je struktura klatrat, odnosno zapravo je inkluzijski spoj: neke molekule vode nalaze se u šupljinama strukture koju tvore druge molekule.
Slika strukture vode u faznom stanju Si34 (lijevo) i fazni dijagram u koordinatama λ / tlak (desno) / Institut za industrijske znanosti Sveučilišta u Tokiju.
Promotivni video:
Otkrivena ovisnost nije linearna, maksimalan učinak na svojstva vode javlja se pri λ = 23,15.
Hajime Tanaka, jedan od vođa projekta, primijetio je važnu ulogu istraživanja u fizikalnoj kemiji.
Odnos makroskopskih parametara, poput viskoznosti, prema mikroskopskim strukturama, dobivenim relativno jednostavnim modelom, zaista je važno postignuće. S praktične točke gledišta, razumijevanje strukture vode trebalo bi pomoći u razvoju učinkovitih finih filtara.
Anton Bugajčuk
