Forskere opdager en ny stoftilstand for vand

En af de mest grundlæggende ting, vi bliver undervist i i skolernes naturvidenskabelige klasser, er, at vand kan eksistere i tre forskellige tilstande, enten som fast is, flydende vand, eller dampgas. Men et internationalt team af forskere har for nylig fundet tegn på, at flydende vand faktisk kan komme i to forskellige stater.

Skriver i et eksperimentelt papir, offentliggjort i International Journal of Nanotechnology , forskerne var overraskede over at finde en række fysiske egenskaber ved vand ændrer deres adfærd mellem 50 ℃ og 60 ℃. Dette tegn på en potentiel ændring til en anden flydende tilstand kan udløse en ophedet diskussion i det videnskabelige samfund. Og, hvis bekræftet, det kan have konsekvenser for en række områder, herunder nanoteknologi og biologi.

Materiens tilstande, også kaldet "faser", er et nøglebegreb i studiet af systemer lavet af atomer og molekyler. Groft sagt, et system dannet af mange molekyler kan arrangeres i et vist antal konfigurationer afhængigt af dets samlede energi. Ved højere temperaturer (og derfor højere energier), molekylerne har flere mulige konfigurationer og er derfor mere uorganiserede og kan bevæge sig relativt frit (gasfasen). Ved lavere temperaturer, molekylerne har et mere begrænset antal konfigurationer og danner derfor en mere ordnet fase (en væske). Hvis temperaturen falder yderligere, de arrangerer sig selv i en meget specifik konfiguration, producerer et fast stof.

Dette billede er almindeligt for relativt simple molekyler som kuldioxid eller metan, som har tre klare, forskellige tilstande (væske, fast og gas). Men for mere komplekse molekyler, der er et større antal mulige konfigurationer, og dette giver anledning til flere faser. En smuk illustration af dette er flydende krystallers rige opførsel, som er dannet af komplekse organiske molekyler og kan flyde som væsker, men har stadig en fast-lignende krystallinsk struktur

Fordi et stofs fase er bestemt af, hvordan dets molekyler er konfigureret, mange fysiske egenskaber ved det stof vil ændre sig brat, når det går fra en tilstand til en anden. I den seneste avis, forskerne målte adskillige afslørende fysiske egenskaber ved vand ved temperaturer mellem 0 ℃ og 100 ℃ under normale atmosfæriske forhold (hvilket betyder, at vandet var en væske). Overraskende nok, de fandt et knæk i egenskaber såsom vandets overfladespænding og dets brydningsindeks (et mål for, hvordan lyset bevæger sig igennem det) ved omkring 50 ℃.

Særlig struktur

Hvordan kan det være? Strukturen af ​​et vandmolekyle, H₂O, er meget interessant og kan afbildes som en slags pilespids, med de to hydrogenatomer flankerende oxygenatomet øverst. Elektronerne i molekylet har tendens til at blive fordelt på en ret asymmetrisk måde, gør iltsiden negativt ladet i forhold til brintsiden. Denne enkle strukturelle egenskab fører til en slags interaktion mellem vandmolekyler kendt som hydrogenbinding, hvor de modsatte ladninger tiltrækker hinanden.

Dette giver vandet egenskaber, i mange tilfælde, bryde de tendenser, der observeres for andre simple væsker. For eksempel, i modsætning til de fleste andre stoffer, en fast masse vand optager mere plads som et fast stof (is) end som et (væske) på grund af den måde, hvorpå dets molekyler danner en specifik regulær struktur. Et andet eksempel er overfladespændingen af ​​flydende vand, hvilket er omtrent det dobbelte af andre ikke-polære, enklere, væsker.

Vand er simpelt nok, men ikke for enkelt. Dette betyder, at en mulighed for at forklare den tilsyneladende ekstra fase af vand er, at det opfører sig lidt som en flydende krystal. Hydrogenbindingerne mellem molekyler holder en vis orden ved lave temperaturer, men til sidst kunne det tage et sekund, mindre ordnet væskefase ved højere temperaturer. Dette kunne forklare de knæk, forskerne observerede i deres data.

Hvis bekræftet, forfatternes resultater kunne have mange anvendelser. For eksempel, hvis ændringer i miljøet (såsom temperatur) forårsager ændringer i et stofs fysiske egenskaber, så kan dette potentielt bruges til registreringsapplikationer. Måske mere grundlæggende biologiske systemer er for det meste lavet af vand. Hvordan biologiske molekyler (såsom proteiner) interagerer med hinanden afhænger sandsynligvis af den specifikke måde, hvorpå vandmolekyler arrangerer at danne en flydende fase. At forstå, hvordan vandmolekyler i gennemsnit indretter sig ved forskellige temperaturer, kan kaste lys over, hvordan de interagerer i biologiske systemer.

Opdagelsen er en spændende mulighed for teoretikere og eksperimentalister, og et smukt eksempel på, hvordan selv det mest velkendte stof stadig har hemmeligheder gemt indeni.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.