Az egyik legalapvetőbb dolog, amelyet az iskolai természettudományi órákban tanítunk, az, hogy a víz három különböző állapotban létezhet, akár szilárd jégként, folyékony vízként vagy gőzgázként. De egy tudósok nemzetközi csoportja nemrégiben talált jeleket arra, hogy a folyékony víz valójában két különböző államban lehet.
A kutatók a Nemzetközi Nanotechnológiai Folyóiratban megjelent kísérleti cikkben írták meglepetésüket, hogy a víz számos fizikai tulajdonsága megváltoztatta viselkedésüket 50 és 60 ℃ között. A második folyékony állapot esetleges megváltozásának ez a jele heves vitát válthat ki a tudományos közösségben. És ha megerősítést nyer, számos területre kihatással lehet, beleértve a nanotechnológiát és a biológiát.
Az anyagállapotok, más néven „fázisok” kulcsfontosságú fogalom az atomokból és molekulákból készült rendszerek tanulmányozásakor. Nagyjából szólva, a sok molekulából álló rendszer bizonyos számú konfigurációban elrendezhető a teljes energiájától függően. Magasabb hőmérsékleten (és ezért magasabb energiákkal) a molekulák több lehetséges konfigurációval rendelkeznek, így rendezetlenebbek és viszonylag szabadon mozoghatnak (gázfázis). Alacsonyabb hőmérsékleten a molekulák korlátozott számú konfigurációval rendelkeznek, és így rendezettebb fázist képeznek (folyadék). Ha a hőmérséklet tovább csökken, akkor nagyon specifikus konfigurációban elrendeződnek, és szilárd anyagot kapnak.
Ez a kép jellemző a viszonylag egyszerű molekulákra, például a szén-dioxidra vagy a metánra, amelyeknek három tiszta, különböző állapota van (folyadék, szilárd és gáz). De a bonyolultabb molekulák esetében nagyobb a lehetséges konfigurációk száma, és ez több fázist eredményez. Ennek egy gyönyörű példája a folyékony kristályok gazdag viselkedése, amelyeket összetett szerves molekulák képeznek és folyadékként áramolhatnak, de szilárd kristályszerkezetük még mindig megvan
Mivel egy anyag fázisát a molekula konfigurációja határozza meg, az anyag sok fizikai tulajdonsága hirtelen megváltozik, amikor az egyik állapotból a másikba megy. A közelmúltban írt cikkben a kutatók normál légköri körülmények között (azaz a víz folyadék) 0 és 100 ℃ közötti hőmérsékleten több, a víz fizikális tulajdonságait mérték. Meglepő módon 50 ℃ körül olyan tulajdonságokat találtak, mint például a víz felületi feszültsége és törésmutatója (a fény áthaladásának mérése).
Hogy lehet ez? A vízmolekula, a H2O szerkezete nagyon érdekes, és egyfajta nyílhegyként ábrázolható úgy, hogy a két hidrogénatom az oxigénatomot a felső részén határolja. A molekulában az elektronok meglehetősen aszimmetrikusan oszlanak el, ami az oxigén oldalát negatív töltésűvé teszi a hidrogén oldalához viszonyítva. Ez az egyszerű szerkezeti tulajdonság egyfajta kölcsönhatáshoz vezet a vízmolekulák között, úgynevezett hidrogénkötésként, amelyben az ellenkező töltések vonzzák egymást.
Ez olyan víztulajdonságokat eredményez, amelyek sok esetben megtörik a többi egyszerű folyadék esetében megfigyelt tendenciákat. Például, a legtöbb egyéb anyaggal ellentétben, egy rögzített víztömeg több helyet foglal el szilárd anyagként (jég), mint folyadékként, mert a molekulák egy meghatározott szabályos szerkezetet képeznek. További példa a folyékony víz felületi feszültsége, amely nagyjából kétszerese a többi nem poláros, egyszerűbb folyadéknak.
A víz elég egyszerű, de nem túl egyszerű. Ez azt jelenti, hogy a víz látszólagos extra fázisa magyarázatának egyik lehetősége az, hogy egy kicsit úgy viselkedik, mint egy folyadékkristály. A molekulák közötti hidrogénkötések bizonyos hőmérsékleten megtartják a sorrendet, de magasabb hőmérsékleten végül egy második, kevésbé rendezett folyadékfázist képezhetnek. Ez megmagyarázhatja a kutatók által az adatokban megfigyelt rokonokat.
Ha megerősítést nyernek, a szerzők megállapításai sokféle lehetnek. Például, ha a környezet változása (például a hőmérséklet) változást okoz az anyag fizikai tulajdonságaiban, akkor ez potenciálisan felhasználható érzékelő alkalmazásokhoz. Talán alapvetően a biológiai rendszerek többnyire vízből készülnek. A biológiai molekulák (például a fehérjék) kölcsönhatása valószínűleg attól függ, hogy a vízmolekulák miként rendeznek folyékony fázist. Ha megértjük, hogy a vízmolekulák átlagosan eltérő hőmérsékleten rendeződnek, felvilágosíthatják a biológiai rendszerekben való kölcsönhatásuk működését.
A felfedezés izgalmas lehetőség a teoretikusok és a kísérletezők számára, és gyönyörű példája annak, hogy még a legismertebb anyagnak is vannak titkai, amelyek rejtőznek.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta. Olvassa el az eredeti cikket.
