Tetrahedralitet er nøglen til det unikke ved vand

Et japansk forskerhold har undersøgt den unormale opførsel af tetraedriske væsker som vand. Via computersimulering, de beregnede fasediagrammerne for en række modelvæsker. Varierer en parameter kaldet lambda (λ), som styrer mængden af ​​tetraedrisk struktur i væsken, de fandt ud af, at væsker med større λ viste flere anomalier, såsom ekspansion ved lav temperatur. Vandets værdi af λ maksimerer effekten af ​​tetrahedralitet, derfor dens særligt usædvanlige egenskaber.

Vand har en særlig plads blandt væsker for sine usædvanlige egenskaber, og forbliver dårligt forstået. For eksempel, det udvider sig lige ved frysning til is, og bliver mindre tyktflydende under kompression, omkring atmosfærisk tryk. Rationalisering af disse særheder er en stor udfordring for fysik og kemi. Nyere forskning ledet af University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) tyder på, at de skyldes graden af ​​strukturel ordning i væsken.

Vand tilhører en klasse væsker, hvis partikler danner lokale tetraedriske strukturer. Vandets tetrahedralitet er en konsekvens af hydrogenbindinger mellem molekyler, som er begrænset til faste retninger. I en undersøgelse i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), forskerne undersøgte, hvorfor vandets fysiske egenskaber udtrykt ved dets fasediagram er så bemærkelsesværdige, endda sammenlignet med andre tetraedriske væsker, såsom silicium og kulstof.

Tetrahedrale væsker simuleres ofte af et energipotentiale kaldet SW -modellen. Væsken antages at indeholde to faser i termodynamisk ligevægt - en uordnet tilstand, der har høj rotationssymmetri, og en tetraedrisk ordnet tilstand, der ikke gør det. På trods af sin enkelhed, modellen forudsiger nøjagtigt unormal væskeadfærd. To-statens ejendom styres af parameteren lambda (λ), som beskriver den relative styrke af parvise og tre-legeme intermolekylære interaktioner. Jo højere λ er, graden af ​​tetraedrisk orden stiger.

"Vi indså, at λ, som er ret stor til vand, var nøglen til disse væskers unikke egenskaber, ", siger studielederforfatter John Russo. "Effektivt, λ styrer graden af ​​tetrahedralitet:når λ stiger, tetraedriske skaller, der dannes omkring hvert molekyle, bliver energimæssigt mere stabile. Derfor, disse skaller overvinder det ugunstige tab af entropi, der ledsager skabelsen af ​​orden." De lokale tetraedre ligner solid-state strukturer, hvilket er grunden til, at høj-λ væsker krystalliserer lettere.

Ved løbende at justere λ, de simulerede et sæt fasediagrammer for at modellere, hvad der sker, når en "simpel" væske gradvist bliver mere vandlignende. Med stigende λ, de forskellige termodynamiske og dynamiske anomalier i tetraedriske væsker- såsom ekspansion ved lav temperatur og brud på standard Arrhenius-lov for diffusion- blev mere markante.

Imidlertid, det var ikke så simpelt som "flere tetraedre er lig med mærkeligere adfærd." Tetrahedralitetens indflydelse blev maksimeret til vand, som har λ =23,15. Ovenfor her, densitetens opførsel som funktion af temperaturen nærmede sig normalt igen, fordi forskellen i volumen mellem ordnede og uordnede tilstande begyndte at falde. Dermed, vand har en udsøgt finjusteret eller "Goldilocks" værdi på λ, der lader det skifte nemt mellem orden og tilfældighed. Dette giver den høj strukturel fleksibilitet som reaktion på skiftende temperatur eller tryk, som er oprindelsen til dens unikke adfærd.

"Sammenkædning af observerbare egenskaber, såsom viskositet til mikroskopiske strukturer, er hvad fysisk kemi handler om, "siger medforfatter Hajime Tanaka." Vand, det mest rigelige og alligevel mest usædvanlige stof på jorden, har længe været den sidste grænse i denne henseende. Vi var glade for, at en enkel, velkendt model kan fuldt ud forklare vandets mærkelighed, som stammer fra den sarte balance mellem orden og uorden i væsken. "