Vedci z Tokijskej univerzity podrobne študovali štruktúru vody ako kvapaliny a zistili, že jej vlastnosti závisia od pomeru dvojfázových stavov.
Každý vie, že vlastnosti vody sa líšia od väčšiny kvapalín: rozširuje sa, keď zmrzne (preto je ľad ľahší), keď sa sťahuje, znižuje sa jej viskozita atď. Tieto zdanlivo anomálne vlastnosti nám v škole vysvetľujeme prítomnosťou vodíkových väzieb medzi molekulami. Podrobnosti sú však stále zle pochopené, aj keď téma je mimoriadne dôležitá pre chémiu aj fyziku. Špecifické vlastnosti vody sa využívajú aj v lekárskych a technických odboroch.
Inštitút priemyselných vied Tokijskej univerzity dokázal pokročiť v porozumení fenoménu štruktúry vody.
Voda v tekutom stave vytvára štvorboké štruktúry miestneho charakteru, ktoré sa tvoria pomocou vodíkových väzieb - je to známe už dlho. Japonskí vedci zistili, že voda nie je iba „neusporiadaná voda“, v ktorej plávajú „častice“„štvorbokej vody“: systém má stavový diagram podobný tuhým fázam.
Bol vyvinutý model, ktorý považuje kvapalnú vodu za systém pozostávajúci z dvoch fáz. Prvým je neusporiadaný stav s vysokou rotačnou symetriou. Jednoducho povedané, jedná sa o absenciu akéhokoľvek definitívneho vzoru v „smeroch“molekúl v kvapaline. Druhá fáza je nielen tetraedricky usporiadaná, ale aj termodynamicky v nerovnovážnom stave. Interakciu týchto stavov opisuje parameter lambda (λ), ktorého fyzikálny význam predstavuje hodnotenie relatívnej sily intermolekulárnych interakcií dvojitého a trojitého charakteru. To je obvyklé medzi dvoma voľnými molekulami a medzi molekulami, ktoré tvoria štvorstennú štruktúru. V súlade s tým zvýšenie parametra λ označuje zvýšenie usporiadania systému.
Tento model vyzerá jednoducho, ale dobre predpovedá abnormálne správanie vody ako kvapaliny.
Jeden z vedúcich štúdie John Russo vysvetľuje: „… S pribúdajúcim λ sa štvorboké škrupiny, ktoré sa tvoria okolo každej molekuly, stanú energeticky stabilnejšími.““To kompenzuje spotrebu energie pri objednávaní stavby ako celku. Vedci, ktorí menia λ, vymodelovali fázové diagramy, ktorých štruktúra môže byť dosť neočakávaná. Obrázok vľavo teda ukazuje štruktúru vody typu Si34 - tá sa vytvára podtlakom. Okrem toho je jeho štruktúra klatrátová, čo je v skutočnosti inklúzna zlúčenina: niektoré z molekúl vody sú v dutinách štruktúry tvorenej ďalšími molekulami.
Obrázok štruktúry vody vo fázovom stave Si34 (vľavo) a fázový diagram v súradniciach λ / tlak (vpravo) / Ústav priemyselných vied, Tokijská univerzita.
Propagačné video:
Zjavená závislosť nie je lineárna, maximálny vplyv na vlastnosti vody nastáva pri λ = 23,15.
Hajime Tanaka, jeden z vedúcich projektu, upozornil na dôležitú úlohu výskumu vo fyzikálnej chémii.
Vzťah makroskopických parametrov, ako je viskozita, k mikroskopickým štruktúram vytvoreným pomocou relatívne jednoduchého modelu je skutočne dôležitým úspechom. Z praktického hľadiska by pochopenie štruktúry vody malo pomôcť pri vývoji účinných jemných filtrov.
Anton Bugajčuk