Учените откриха ново състояние на водата

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Едно от основните неща, които научаваме в часовете по природни науки в училище е, че водата може да съществува в три различни състояния: твърд лед, течна вода или газообразна пара. Но наскоро международен екип от учени откри признаци, че течната вода всъщност може да съществува в две различни състояния.

Докато провеждаха изследователска работа - резултатите бяха публикувани по-късно в International Journal of Nanotechnology - учените неочаквано откриха, че редица свойства се променят във вода с температура от 50 до 60 ℃. Този знак за възможното съществуване на второ течно състояние на водата предизвика разгорещен дебат в научните среди. Ако бъде потвърдено, откритието ще намери приложения в много области, включително нанотехнологиите и биологията.

Агрегатните състояния, които също се наричат "фази", са ключовото понятие в теорията на системите от атоми и молекули. Грубо казано, система, състояща се от много молекули, може да бъде организирана под формата на определен брой конфигурации в зависимост от нейното общо количество енергия. При високи температури (и следователно при по-високо енергийно ниво) по-голям брой конфигурации са достъпни за молекулите, тоест те са по-малко твърдо организирани и се движат относително свободно (газова фаза). При по-ниски температури молекулите имат по-малко конфигурации и са в по-организирана (течна) фаза. Ако температурата падне още по-ниско, те ще приемат една определена конфигурация и ще образуват твърдо вещество.

Това е общото състояние на нещата за относително прости молекули като въглероден диоксид или метан, които имат три различни състояния (течно, твърдо и газ). Но по-сложните молекули имат по-голям брой възможни конфигурации, което означава, че броят на фазите се увеличава. Отлична илюстрация за това е двойното поведение на течните кристали, които се образуват от комплекси от органични молекули и могат да текат като течности, но все пак запазват твърда кристална структура.

Тъй като фазите на веществото се определят от неговата молекулярна конфигурация, много физични свойства се променят драстично, когато веществото преминава от едно състояние в друго. В гореспоменатото проучване учените измерват няколко контролни свойства на водата между 0 и 100 ℃ при нормални атмосферни условия (така че водата е течна). Неочаквано те откриха драматични вариации в свойствата като повърхностното напрежение на водата и индекса на пречупване (индексът, който отразява как светлината се движи през водата) при температура от около 50 ℃.

Специална структура

Как е възможно? Структурата на водната молекула H₂O е много интересна и може да се изобрази като вид стрелка, където кислородният атом е разположен отгоре, а два водородни атома го „придружават“от фланговете. Електроните в молекулите са склонни да се разпределят асиметрично, поради което молекулата получава отрицателен заряд от кислородната страна в сравнение с водородната страна. Тази проста структурна особеност води до факта, че водните молекули започват да взаимодействат една с друга по определен начин, техните противоположни заряди се привличат, образувайки така наречената водородна връзка.

Това позволява на водата в много случаи да се държи различно от това, което са наблюдавали други прости течности. Например, за разлика от повечето други вещества, определена маса вода заема повече място в твърдо състояние (под формата на лед), отколкото в течно състояние, поради факта, че нейните молекули образуват специфична правилна структура. Друг пример е повърхностното напрежение на течната вода, което е два пъти по-голямо от другите неполярни, по-прости течности.

Водата е доста проста, но не прекомерна. Това означава, че единственото обяснение за проявената допълнителна фаза на водата е, че тя се държи малко като течен кристал. Водородните връзки между молекулите поддържат определен ред при ниски температури, но те също могат да дойдат в друго, по-свободно състояние с повишаване на температурата. Това обяснява значителните отклонения, наблюдавани от учените по време на изследванията.

Ако това се потвърди, заключенията на авторите може да имат много приложения. Например, ако промените в околната среда (да речем, температурата) водят до промени във физичните свойства на дадено вещество, теоретично това може да се използва за създаване на звуково оборудване. Или можете да подходите по-фундаментално – биологичните системи се състоят главно от вода. Как органичните молекули (като протеини) взаимодействат помежду си вероятно ще зависи от това как водните молекули образуват течната фаза. Ако разберете как водните молекули се държат средно при различни температури, можете да изясните как те взаимодействат в биологичните системи.

Това откритие е чудесна възможност за теоретици и експериментатори, както и отличен пример за факта, че дори най-познатото вещество може да крие тайни в себе си.

Родриго Ледесма Агилар