Jedna od osnovnih stvari koje učimo na nastavi u prirodoslovlju u školi jest da voda može postojati u tri različita stanja: čvrsti led, tekuća voda ili plinovita para. No, nedavno je međunarodni tim znanstvenika pronašao naznake da tekuća voda zapravo može postojati u dvije različite države.
Tijekom provođenja istraživačkog rada - 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 žestoku raspravu u znanstvenim krugovima. Ako se to potvrdi, otkriće će naći primjenu na mnogim područjima. Ako se to potvrdi, otkriće će naći primjenu u mnogim područjima, uključujući nanotehnologiju i biologiju.
Agregatna stanja, koja se nazivaju i "fazama", ključni su pojam teorije sustava atoma i molekula. Grubo govoreći, sustav koji se sastoji od mnogo molekula može se organizirati u obliku određenog broja konfiguracija, ovisno o ukupnoj količini energije. Na visokim temperaturama (a time i na višoj energetskoj razini) molekulama je dostupan veći broj konfiguracija, odnosno one su manje kruto organizirane i relativno se slobodno kreću (plinska faza). Pri nižim temperaturama molekule imaju manje konfiguracija i nalaze se u organiziranijoj (tekućoj) fazi. Ako temperatura padne još niže, poprimit će jednu određenu konfiguraciju i stvoriti čvrstu tvar.
Ovo je opće stanje stvari za relativno jednostavne molekule poput ugljičnog dioksida ili metana, koje imaju tri različita stanja (tekuće, kruto i plin). 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 iz 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 fizička svojstva dramatično se mijenjaju kada tvar prelazi iz jednog stanja u drugo. U spomenutoj studiji znanstvenici su izmjerili nekoliko kontrolnih svojstava vode između 0 i 100 ℃ u normalnim atmosferskim uvjetima (tako da je voda tekuća). Neočekivano su pronašli dramatične razlike u svojstvima poput površinske napetosti vode i indeksa loma (indeks koji odražava kako svjetlost putuje kroz vodu) na oko 50 oko.
Posebna struktura
Kako je ovo moguće? Struktura molekule vode, H₂O, vrlo je zanimljiva i može se prikazati kao svojevrsna strelica, gdje je atom kisika na vrhu, a dva atoma vodika "prate" ga s bokova. Elektroni u molekulama imaju tendenciju da se distribuiraju asimetrično, zbog čega molekula prima negativni naboj s kisikove strane u usporedbi s vodikovom stranom. Ova jednostavna strukturna značajka dovodi do činjenice da molekule vode počinju međusobno međusobno komunicirati na određeni način, njihovi suprotni naboji privlače se, tvoreći takozvanu vodikovu vezu.
Promotivni video:
To omogućuje vodi da se u mnogim slučajevima ponaša drugačije nego što su primijetile druge jednostavne tekućine. Primjerice, za razliku od većine drugih tvari, određena masa vode zauzima više prostora u čvrstom stanju (u obliku leda) nego u tekućem, zbog činjenice da njene molekule tvore specifičnu pravilnu strukturu. Sljedeći je primjer površinski napon tekuće vode, koji je dvostruko veći od ostalih nepolarnih, jednostavnijih tekućina.
Voda je prilično jednostavna, ali ne i neodoljiva. To znači da je jedino objašnjenje dodatne faze vode koja se očitovala da se ponaša pomalo poput tekućeg kristala. Vodikove veze između molekula održavaju određeni redoslijed na niskim temperaturama, ali s porastom temperature mogu doći i u drugo, slobodnije stanje. To objašnjava značajna odstupanja koja su znanstvenici primijetili tijekom istraživanja.
Ako se sve potvrdi, zaključci autora mogu naći mnogo koristi. Na primjer, ako promjene u okolišu (recimo, temperatura) podrazumijevaju promjene u fizikalnim svojstvima tvari, teoretski se to može koristiti za stvaranje opreme za osjet. Ili mu možete pristupiti temeljnije - biološki se sustav sastoji uglavnom od vode. Način međusobne interakcije organskih molekula (poput proteina) vjerojatno ovisi o tome kako molekule vode tvore tekuću fazu. Ako razumijete kako se molekule vode ponašaju u prosjeku na različitim temperaturama, možete pojasniti kako međusobno djeluju u biološkim sustavima.
Ovo je otkriće izvrsna prilika za teoretičare i eksperimentatore, a također i sjajan primjer činjenice da čak i najpoznatija tvar može u sebi sakriti tajne.
