Jednou ze základních věcí, které se učíme na hodinách přírodovědných předmětů ve škole, je to, že voda může existovat ve třech různých stavech: pevný led, kapalná voda nebo plynné páry. Nedávno však mezinárodní tým vědců objevil známky toho, že kapalná voda může skutečně existovat ve dvou různých státech.
Při provádění výzkumných prací - výsledky byly později publikovány v Mezinárodním žurnálu nanotechnologie - vědci neočekávaně zjistili, že se ve vodě s teplotou 50 až 60 ° C mění řada vlastností. Tato známka možné existence druhého kapalného stavu vody vyvolala ve vědeckých kruzích vášnivou debatu. Pokud se to potvrdí, objev najde uplatnění v mnoha oblastech. Pokud se to potvrdí, objev najde uplatnění v mnoha oblastech, včetně nanotechnologií a biologie.
Souhrnné stavy, které se také nazývají „fáze“, jsou klíčovým pojmem teorie systémů atomů a molekul. Zhruba řečeno, systém skládající se z mnoha molekul může být organizován ve formě určitého počtu konfigurací v závislosti na jeho celkovém množství energie. Při vysokých teplotách (a tedy při vyšší energetické úrovni) je molekulám k dispozici větší počet konfigurací, to znamená, že jsou méně rigidně organizovány a pohybují se relativně volně (plynná fáze). Při nižších teplotách mají molekuly méně konfigurací a jsou v organizovanější (kapalné) fázi. Pokud teplota klesne ještě níže, přijmou jednu definitivní konfiguraci a vytvoří pevnou látku.
Toto je obecný stav věcí pro relativně jednoduché molekuly, jako je oxid uhličitý nebo metan, které mají tři odlišné stavy (kapalný, pevný a plynný). Složitější molekuly však mají větší počet možných konfigurací, což znamená, že se zvyšuje počet fází. Vynikající ilustrací toho je dvojí chování tekutých krystalů, které jsou tvořeny z komplexů organických molekul a mohou proudit jako kapaliny, ale stále si zachovávají pevnou krystalickou strukturu.
Protože fáze látky jsou určovány její molekulární konfigurací, mnoho fyzikálních vlastností se dramaticky mění, když látka přechází z jednoho stavu do druhého. Ve výše zmíněné studii vědci změřili několik řídících vlastností vody mezi 0 a 100 ° za normálních atmosférických podmínek (aby byla voda kapalná). Nečekaně zjistili dramatické rozdíly ve vlastnostech, jako je povrchové napětí vody a index lomu (index, který odráží, jak světlo prochází vodou) při teplotách kolem 50 ° C.
Speciální struktura
Jak je tohle možné? Struktura molekuly vody, H₂O, je velmi zajímavá a lze ji popsat jako druh šipky, kde je atom kyslíku umístěn nahoře a dva vodíkové atomy jej „doprovázejí“z boků. Elektrony v molekulách mají tendenci být distribuovány asymetricky, a proto molekula přijímá negativní náboj ze strany kyslíku ve srovnání s vodíkovou stranou. Tato jednoduchá strukturní vlastnost vede k tomu, že molekuly vody začnou mezi sebou určitým způsobem interagovat, přitahují se jejich opačné náboje a vytvářejí takzvanou vodíkovou vazbu.
Propagační video:
To umožňuje, aby se voda v mnoha případech chovala jinak, než pozorovaly jiné jednoduché kapaliny. Například na rozdíl od většiny ostatních látek zabírá určitá masa vody více místa v pevném stavu (ve formě ledu) než v kapalném stavu, protože jeho molekuly tvoří specifickou pravidelnou strukturu. Dalším příkladem je povrchové napětí kapalné vody, které je dvakrát větší než u jiných nepolárních, jednodušších kapalin.
Voda je docela jednoduchá, ale ne ohromující. To znamená, že jediné vysvětlení další fáze vody, které se projevilo, je to, že se chová trochu jako tekutý krystal. Vodíkové vazby mezi molekulami udržují určité pořadí při nízkých teplotách, ale mohou se také zvyšovat teplotou do jiného, volnějšího stavu. To vysvětluje významné odchylky pozorované vědci během výzkumu.
Pokud se to potvrdí, závěry autorů mohou mít mnoho využití. Například pokud změny prostředí (řekněme teplota) mají za následek změny fyzikálních vlastností látky, lze je teoreticky použít k vytvoření sondážního zařízení. Nebo k tomu můžete přistupovat zásadněji - biologické systémy se skládají hlavně z vody. Jak vzájemně interagují organické molekuly (například proteiny), pravděpodobně závisí na tom, jak molekuly vody tvoří kapalnou fázi. Pokud pochopíme, jak se molekuly vody chovají v průměru při různých teplotách, můžeme objasnit, jak interagují v biologických systémech.
Tento objev je skvělou příležitostí pro teoretiky a experimentátory, stejně jako vynikající příklad toho, že i ta nejznámější látka může v sobě skrývat tajemství.