Jednou zo základných vecí, ktoré sa učíme na hodinách prírodovedy v škole, je to, že voda môže existovať v troch rôznych stavoch: tuhý ľad, kvapalná voda alebo plynné pary. Nedávno však medzinárodný tím vedcov našiel náznaky, že kvapalná voda môže skutočne existovať v dvoch rôznych štátoch.
Vedci pri výskume - výsledky boli neskôr publikované v Medzinárodnom vestníku nanotechnológií - nečakane zistili, že sa vo vode s teplotou 50 až 60 ℃ mení množstvo vlastností. Tento znak možnej existencie druhého kvapalného skupenstva vody vyvolal vo vedeckých kruhoch búrlivú diskusiu. Ak sa to potvrdí, objav si nájde uplatnenie v mnohých oblastiach. Ak sa to potvrdí, objav si nájde uplatnenie v mnohých oblastiach, vrátane nanotechnológií a biológie.
Agregované 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 pri vyššej energetickej úrovni) je molekulám k dispozícii väčšie množstvo konfigurácií, to znamená, že sú organizované menej rigidne a pohybujú sa relatívne voľne (plynná fáza). Pri nižších teplotách majú molekuly menej konfigurácií a sú v organizovanejšej (tekutej) fáze. Ak teplota klesne ešte nižšie, prijmú jednu definitívnu konfiguráciu a vytvoria pevnú látku.
Toto je všeobecný stav vecí pre relatívne jednoduché molekuly, ako je oxid uhličitý alebo metán, ktoré majú tri odlišné stavy (kvapalný, tuhý a plyn). Ale zložitejšie molekuly majú väčší počet možných konfigurácií, čo znamená, že počet fáz sa zvyšuje. Vynikajúcim príkladom toho je duálne správanie tekutých kryštálov, ktoré sú tvorené z komplexov organických molekúl a môžu prúdiť ako kvapaliny, ale stále si zachovávajú pevnú kryštalickú štruktúru.
Pretože fázy látky sú určené jej molekulárnou konfiguráciou, mnoho fyzikálnych vlastností sa dramaticky mení, keď látka prechádza z jedného stavu do druhého. Vo vyššie uvedenej štúdii vedci merali niekoľko riadiacich vlastností vody medzi 0 a 100 ° C za normálnych atmosférických podmienok (aby bola voda tekutá). Neočakávane našli dramatické rozdiely vo vlastnostiach, ako je povrchové napätie vody a index lomu (index, ktorý odráža to, ako svetlo prechádza vodou) pri asi 50 ° C.
Špeciálna štruktúra
Ako je to možné? Štruktúra molekuly vody, H₂O, je veľmi zaujímavá a dá sa vykresliť ako akýsi šíp, kde je atóm kyslíka hore a z bokov ho „sprevádzajú“dva atómy vodíka. Elektróny v molekulách majú tendenciu byť distribuované asymetricky, čo je dôvod, prečo molekula dostáva negatívny náboj zo strany kyslíka v porovnaní so stranou vodíka. Táto jednoduchá štrukturálna vlastnosť vedie k tomu, že molekuly vody začnú navzájom interagovať určitým spôsobom, priťahujú ich opačné náboje a vytvárajú takzvanú vodíkovú väzbu.
Propagačné video:
To umožňuje vode v mnohých prípadoch správať sa inak, ako spozorovali iné jednoduché kvapaliny. Napríklad na rozdiel od väčšiny ostatných látok zaberá určitá masa vody viac miesta v tuhom stave (vo forme ľadu) ako v tekutom stave, vďaka tomu, že jeho molekuly tvoria špecifickú pravidelnú štruktúru. Ďalším príkladom je povrchové napätie kvapalnej vody, ktoré je dvojnásobné v porovnaní s inými nepolárnymi, jednoduchšími kvapalinami.
Voda je dosť jednoduchá, ale nie príliš jednoduchá. To znamená, že jediné vysvetlenie ďalšej fázy vody, ktoré sa prejavilo, je to, že sa správa trochu ako tekutý kryštál. Vodíkové väzby medzi molekulami si udržiavajú určité poradie pri nízkych teplotách, ale so stúpajúcou teplotou môžu tiež prísť do iného, voľnejšieho stavu. To vysvetľuje významné odchýlky, ktoré vedci pozorovali počas výskumu.
Ak sa to potvrdí, závery autorov môžu mať mnoho využití. Napríklad, ak zmeny v prostredí (povedzme teplota) majú za následok zmeny vo fyzikálnych vlastnostiach látky, možno ich teoreticky použiť na vytvorenie snímacieho zariadenia. Alebo k tomu môžete pristúpiť zásadnejšie - biologické systémy pozostávajú hlavne z vody. To, ako vzájomne interagujú organické molekuly (napríklad bielkoviny), bude pravdepodobne závisieť od toho, ako molekuly vody tvoria kvapalnú fázu. Ak pochopíme, ako sa molekuly vody správajú v priemere pri rôznych teplotách, môžeme objasniť, ako interagujú v biologických systémoch.
Tento objav je skvelou príležitosťou pre teoretikov a experimentátorov, ako aj vynikajúcim príkladom toho, že aj tá najznámejšia látka môže v sebe skrývať tajomstvá.