Vandets adfærd - forskere finder nye egenskaber ved H2O

Et team af forskere har afdækket nye molekylære egenskaber af vand - en opdagelse af et fænomen, der tidligere var gået ubemærket hen.

Et team af forskere har afdækket nye molekylære egenskaber af vand - en opdagelse af et fænomen, der tidligere var gået ubemærket hen.

Flydende vand er kendt for at være en fremragende transportør af sine egne autoioniseringsprodukter; det er, den ladede art opnået, når et vandmolekyle (H ₂ O) er opdelt i protoner (H ⁺ ) og hydroxidioner (OH ^- ). Denne bemærkelsesværdige egenskab ved vand gør det til en kritisk komponent i nye elektrokemiske energiproduktion og lagringsteknologier, såsom brændselsceller; Ja, selve livet ville ikke være muligt, hvis vand ikke havde denne egenskab.

Vand vides at bestå af et indviklet netværk af svage, retningsinteraktioner kendt som hydrogenbindinger. I næsten et århundrede, man mente, at de mekanismer, hvormed vand transporterer H ⁺ og OH ^- ioner var spejlbilleder af hinanden - identiske på alle måder undtagen retninger for hydrogenbindinger involveret i processen.

Nuværende state-of-the-art teoretiske modeller og computersimuleringer, imidlertid, forudsagde en grundlæggende asymmetri i disse mekanismer. Hvis det er korrekt, denne asymmetri er noget, der kan udnyttes i forskellige applikationer ved at skræddersy et system til fordel for den ene ion frem for den anden.

Eksperimentelt bevis på den teoretiske forudsigelse er forblevet undvigende på grund af vanskeligheden med direkte at observere de to ioniske arter. Forskellige eksperimenter har kun givet glimt af den forudsagte asymmetri.

Et team af forskere ved New York University, ledet af professor Alexej Jerschow og herunder Emilia Silletta, en postdoktor i NYU, og Mark Tuckerman, professor i kemi og matematik ved NYU, udtænkt et nyt eksperiment til at sømme denne asymmetri. Den eksperimentelle tilgang involverede at køle vand ned til dets såkaldte temperatur med maksimal tæthed, hvor asymmetrien forventes at være stærkest åbenbar, hvorved det bliver omhyggeligt opdaget.

Det er almindeligt kendt, at is flyder på vand, og at søer fryser fra toppen. Dette skyldes, at vandmolekyler pakker sig ind i en struktur med lavere densitet end flydende vand - en manifestation af vands usædvanlige egenskaber:densiteten af ​​flydende vand stiger lige over frysepunktet og når et maksimum ved fire grader Celsius (39 grader Fahrenheit). ), den såkaldte temperatur af maksimal tæthed; denne forskel i tæthed dikterer, at væske altid er placeret under is.

Ved at køle vand ned til denne temperatur, teamet anvendte nukleare magnetiske resonansmetoder (den samme tilgang er medicinsk ved magnetisk resonansbilleddannelse) for at vise, at forskellen i levetiden for de to ioner når en maksimal værdi (jo større levetid, jo langsommere transport). Ved at fremhæve forskellen i levetider, asymmetrien blev grelt tydelig.

Som nævnt tidligere, vand består af et oxygenatom og to hydrogenatomer, men hydrogenatomerne er relativt mobile og kan hoppe fra et molekyle til et andet, og det er denne hopping, der gør de to ioniske arter så mobile i vand.

Ved at søge forklaringer på de temperaturafhængige egenskaber, forskerne fokuserede på den hastighed, hvormed sådanne humle kan forekomme.

Tidligere forskning havde vist, at to hovedgeometriske arrangementer af hydrogenbindinger (en forbundet med hver ion) letter humlen. Forskerne fandt ud af, at et af arrangementerne førte til betydeligt langsommere humle til OH ^- end for H. ⁺ ved fire grader celsius. Da dette også er temperaturen for maksimal densitet, forskerne mente, at de to fænomener skulle kædes sammen. Ud over, deres resultater viste, at molekylers hoppeadfærd pludselig ændrede sig ved denne temperatur.

"Undersøgelsen af ​​vands molekylære egenskaber er af intens interesse på grund af dets centrale rolle i at muliggøre fysiologiske processer og dets allestedsnærværende natur, "siger Jerschow, den tilsvarende forfatter til denne undersøgelse. "Det nye fund er ganske overraskende og muliggør en dybere forståelse af vandets egenskaber såvel som dets rolle som væske i mange af naturens fænomener."

Tuckerman, hvem var en af ​​de første forskere, der forudsagde asymmetrien i transportmekanismerne og forskellen i hydrogenbindingsarrangementer, siger, "Det er glædeligt at få dette klare stykke eksperimentelt bevis til at bekræfte vores tidligere forudsigelser. Vi søger i øjeblikket nye måder at udnytte asymmetrien mellem H ⁺ og OH ^- transport til at designe nye materialer til applikationer med ren energi, og at vide, at vi starter med en korrekt model, er det centralt for vores fortsatte fremskridt."

En lang række andre undersøgelser, lige fra undersøgelsen af ​​enzymfunktionen i kroppen til at forstå, hvordan levende organismer kan trives under barske forhold, herunder frysetemperaturer og meget sure omgivelser, vil også blive påvirket af holdets resultater.