Οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια νέα κατάσταση του νερού

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Ένα από τα βασικά πράγματα που μαθαίνουμε στα μαθήματα επιστήμης στο σχολείο είναι ότι το νερό μπορεί να υπάρχει σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις: στερεός πάγος, υγρό νερό ή αέριος ατμός. Όμως πρόσφατα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων βρήκε σημάδια ότι το νερό σε υγρή μορφή μπορεί πράγματι να υπάρχει σε δύο διαφορετικές καταστάσεις.

Κατά τη διεξαγωγή ερευνητικών εργασιών - τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν αργότερα στο International Journal of Nanotechnology - οι επιστήμονες ανακάλυψαν απροσδόκητα ότι μια σειρά από ιδιότητες αλλάζουν στο νερό με θερμοκρασία 50 έως 60 ℃. Αυτό το σημάδι της πιθανής ύπαρξης μιας δεύτερης υγρής κατάστασης του νερού έχει πυροδοτήσει μια έντονη συζήτηση στους επιστημονικούς κύκλους. Εάν επιβεβαιωθεί, τότε η ανακάλυψη θα βρει εφαρμογές σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της νανοτεχνολογίας και της βιολογίας.

Οι συγκεντρωτικές καταστάσεις, που ονομάζονται και «φάσεις», είναι η βασική έννοια της θεωρίας συστημάτων ατόμων και μορίων. Σε γενικές γραμμές, ένα σύστημα που αποτελείται από πολλά μόρια μπορεί να οργανωθεί με τη μορφή ορισμένου αριθμού διαμορφώσεων ανάλογα με τη συνολική ποσότητα ενέργειας του. Σε υψηλές θερμοκρασίες (και επομένως σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας), ένας μεγαλύτερος αριθμός διαμορφώσεων είναι διαθέσιμος στα μόρια, δηλαδή είναι λιγότερο άκαμπτα οργανωμένα και κινούνται σχετικά ελεύθερα (αέρια φάση). Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, τα μόρια έχουν λιγότερες διαμορφώσεις και βρίσκονται σε πιο οργανωμένη (υγρή) φάση. Εάν η θερμοκρασία πέσει ακόμη χαμηλότερα, θα λάβουν μια συγκεκριμένη διαμόρφωση και θα σχηματίσουν ένα στερεό.

Αυτή είναι η γενική κατάσταση των πραγμάτων για σχετικά απλά μόρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα ή το μεθάνιο, τα οποία έχουν τρεις διακριτές καταστάσεις (υγρό, στερεό και αέριο). Αλλά τα πιο πολύπλοκα μόρια έχουν μεγαλύτερο αριθμό πιθανών διαμορφώσεων, πράγμα που σημαίνει ότι ο αριθμός των φάσεων αυξάνεται. Ένα εξαιρετικό παράδειγμα αυτού είναι η διπλή συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων, οι οποίοι σχηματίζονται από σύμπλοκα οργανικών μορίων και μπορούν να ρέουν σαν υγρά, αλλά διατηρούν ακόμα μια στερεή κρυσταλλική δομή.

Δεδομένου ότι οι φάσεις μιας ουσίας καθορίζονται από τη μοριακή της διαμόρφωση, πολλές φυσικές ιδιότητες αλλάζουν δραματικά όταν μια ουσία περνά από τη μια κατάσταση στην άλλη. Στην προαναφερθείσα μελέτη, οι επιστήμονες μέτρησαν διάφορες ιδιότητες ελέγχου του νερού μεταξύ 0 και 100 ℃ υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (έτσι ώστε το νερό να είναι υγρό). Απροσδόκητα, βρήκαν δραματικές διακυμάνσεις σε ιδιότητες όπως η επιφανειακή τάση του νερού και ο δείκτης διάθλασης (ο δείκτης που αντανακλά το πώς το φως ταξιδεύει μέσα στο νερό) σε θερμοκρασία περίπου 50 ℃.

Ειδική δομή

Πώς είναι αυτό δυνατόν? Η δομή του μορίου του νερού, H2O, είναι πολύ ενδιαφέρουσα και μπορεί να απεικονιστεί ως ένα είδος βέλους, όπου το άτομο οξυγόνου βρίσκεται στην κορυφή και δύο άτομα υδρογόνου το «συνοδεύουν» από τις πλευρές. Τα ηλεκτρόνια στα μόρια τείνουν να κατανέμονται ασύμμετρα, γι' αυτό το μόριο δέχεται αρνητικό φορτίο από την πλευρά του οξυγόνου σε σύγκριση με την πλευρά του υδρογόνου. Αυτό το απλό δομικό χαρακτηριστικό οδηγεί στο γεγονός ότι τα μόρια του νερού αρχίζουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με συγκεκριμένο τρόπο, τα αντίθετα φορτία τους έλκονται, σχηματίζοντας έναν λεγόμενο δεσμό υδρογόνου.

Αυτό επιτρέπει στο νερό σε πολλές περιπτώσεις να συμπεριφέρεται διαφορετικά από αυτά που έχουν παρατηρήσει άλλα απλά υγρά. Για παράδειγμα, σε αντίθεση με τις περισσότερες άλλες ουσίες, μια ορισμένη μάζα νερού καταλαμβάνει περισσότερο χώρο σε στερεή κατάσταση (με τη μορφή πάγου) παρά σε υγρή κατάσταση, λόγω του γεγονότος ότι τα μόριά του σχηματίζουν μια συγκεκριμένη κανονική δομή. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η επιφανειακή τάση του υγρού νερού, η οποία είναι διπλάσια από άλλα μη πολικά, απλούστερα υγρά.

Το νερό είναι αρκετά απλό, αλλά όχι υπερβολικό. Αυτό σημαίνει ότι η μόνη εξήγηση για την πρόσθετη φάση του νερού που έχει εκδηλωθεί είναι ότι συμπεριφέρεται λίγο σαν υγρός κρύσταλλος. Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων διατηρούν μια ορισμένη τάξη σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά μπορούν επίσης να έρθουν σε μια άλλη, πιο ελεύθερη κατάσταση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό εξηγεί τις σημαντικές αποκλίσεις που παρατηρήθηκαν από τους επιστήμονες κατά τη διάρκεια της έρευνας.

Εάν αυτό επιβεβαιωθεί, τα συμπεράσματα των συγγραφέων μπορεί να έχουν πολλές χρήσεις. Για παράδειγμα, εάν αλλαγές στο περιβάλλον (ας πούμε, θερμοκρασία) συνεπάγονται αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας, θεωρητικά αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία εξοπλισμού ήχου. Ή μπορείτε να το προσεγγίσετε πιο θεμελιωδώς - τα βιολογικά συστήματα αποτελούνται κυρίως από νερό. Το πώς τα οργανικά μόρια (όπως οι πρωτεΐνες) αλληλεπιδρούν μεταξύ τους είναι πιθανό να εξαρτηθεί από το πώς τα μόρια του νερού σχηματίζουν την υγρή φάση. Εάν κατανοείτε πώς συμπεριφέρονται τα μόρια του νερού κατά μέσο όρο σε διαφορετικές θερμοκρασίες, μπορείτε να διευκρινίσετε πώς αλληλεπιδρούν στα βιολογικά συστήματα.

Αυτή η ανακάλυψη είναι μια μεγάλη ευκαιρία για θεωρητικούς και πειραματιστές, καθώς και ένα εξαιρετικό παράδειγμα του γεγονότος ότι ακόμη και η πιο οικεία ουσία μπορεί να κρύβει μυστικά μέσα της.

Rodrigo Ledesma Aguilar