Vědci z Tokijské univerzity podrobně studovali strukturu vody jako kapaliny a zjistili, že její vlastnosti závisí na poměru dvoufázových stavů.
Každý ví, že vlastnosti vody se liší od většiny kapalin: rozšiřuje se, když zmrzne (proto je led světlejší), když se smršťuje, snižuje se její viskozita atd. Tyto zdánlivě anomální vlastnosti nám ve škole vysvětlujeme přítomností vodíkových vazeb mezi molekulami. Podrobnosti jsou však stále špatně pochopeny, ačkoli téma je nesmírně důležité jak pro chemii, tak pro fyziku. Specifické vlastnosti vody se využívají také v lékařství a technických oborech.
Institut průmyslových věd Tokijské univerzity dokázal pokročit v porozumění fenoménu struktury vody.
Voda v kapalném stavu tvoří čtyřstěnné struktury místní povahy, které se vytvářejí pomocí vodíkových vazeb - to je známo již dlouho. Japonští vědci zjistili, že voda není jen „neuspořádaná voda“, ve které plují „částice“„čtyřboké vody“: systém má stavový diagram podobný pevným fázím.
Byl vyvinut model, který považuje kapalnou vodu za systém skládající se ze dvou fází. První je neuspořádaný stav s vysokou rotační symetrií. Jednoduše řečeno, toto je absence jakéhokoli definitivního vzoru ve „směrech“molekul v kapalině. Druhá fáze je nejen čtyřstěnně uspořádaná, ale také termodynamicky v nerovnovážném stavu. Interakce těchto stavů je popsána parametrem lambda (λ), jehož fyzickým významem je posouzení relativní síly intermolekulárních interakcí dvojice a trojice. To je obvyklé mezi dvěma volnými molekulami a mezi molekulami, které tvoří čtyřboká struktura. Zvýšení parametru λ podle toho označuje zvýšení pořadí systému.
Tento model vypadá jednoduše, ale dobře předpovídá abnormální chování vody jako kapaliny.
Jeden z vedoucích studie, John Russo, vysvětluje: „… Jak se λ zvyšuje, čtyřboká skořápka, která se tvoří kolem každé molekuly, se stává energeticky stabilnější.“To kompenzuje spotřebu energie na objednání struktury jako celku. Vědci změnou λ vymodelovali fázové stavové diagramy, jejichž struktura může být docela nečekaná. Obrázek vlevo tedy ukazuje strukturu vody typu Si34 - je tvořena podtlakem. Navíc je jeho struktura klatrátová, to je ve skutečnosti inkluzní sloučenina: některé z molekul vody jsou v dutinách struktury tvořené jejími dalšími molekulami.
Obrázek struktury vody ve fázovém stavu Si34 (vlevo) a fázový diagram v souřadnicích λ / tlak (vpravo) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.
Propagační video:
Zjištěná závislost není lineární, maximální účinek na vlastnosti vody nastává při λ = 23,15.
Hajime Tanaka, jeden z vedoucích projektů, poukázal na důležitou roli výzkumu ve fyzikální chemii.
Vztah makroskopických parametrů, jako je viskozita, k mikroskopickým strukturám, vytvořeným pomocí relativně jednoduchého modelu, je skutečně důležitým úspěchem. Z praktického hlediska by pochopení struktury vody mělo pomoci při vývoji účinných jemných filtrů.
Anton Bugaychuk