Znanstveniki na Univerzi v Tokiu so podrobno preučili strukturo vode kot tekočine in ugotovili, da so njene lastnosti odvisne od razmerja med dvema faznima stanjem.
Vsi vemo, da se lastnosti vode razlikujejo od večine tekočin: ob zmrzovanju se razširi (zato je led lažji), ko se krči, se viskoznost zmanjša itd. Te na videz nepravilne lastnosti nam v šoli razložijo prisotnost vodikovih vezi med molekulami. Vendar so podrobnosti še vedno slabo razumljene, čeprav je tema izredno pomembna tako za kemijo kot za fiziko. Posebne lastnosti vode se uporabljajo tudi v medicini in tehničnih disciplinah.
Inštitut za industrijske vede Univerze v Tokiu je lahko napredoval v razumevanju pojava strukture vode.
Voda v tekočem stanju tvori tetraedrske strukture lokalne narave, ki nastanejo s pomočjo vodikovih vezi - to je znano že dolgo. Japonski znanstveniki so ugotovili, da voda ni le "neurejena voda", v kateri plavajo "delci" "tetraedrske vode": sistem ima diagram stanja, podoben trdnim fazam.
Razvit je bil model, ki tekočo vodo obravnava kot sistem, sestavljen iz dveh faz. Prvo je neurejeno stanje z visoko rotacijsko simetrijo. Preprosto povedano, to je odsotnost kakršnega koli natančnega vzorca v "smereh" molekul v tekočini. Druga faza ni samo tetraedrično urejena, temveč tudi termodinamično v neravnovesnem stanju. Interakcijo teh stanj opisuje lambda-parameter (λ), katerega fizični pomen je ocena relativne moči medmolekularnih interakcij dvojne in trojne narave. Se pravi običajno med dvema prostima molekulama in med molekulama, ki tvorita tetraedrsko strukturo. Skladno s tem povečanje parametra λ kaže na povečanje urejenosti sistema.
Ta model je videti preprost, vendar dobro napoveduje nenormalno obnašanje vode kot tekočine.
Eden od voditeljev študije John Russo pojasnjuje: "… Ko se λ povečuje, tetraedrske lupine, ki nastanejo okoli vsake molekule, postanejo energetsko stabilnejše." To kompenzira porabo energije za urejanje konstrukcije kot celote. Znanstveniki, ki spreminjajo λ, so oblikovali fazne diagrame, katerih struktura je lahko precej nepričakovana. Torej, slika na levi prikazuje strukturo vode tipa Si34 - nastaja pod negativnim pritiskom. Poleg tega je njegova struktura klatrat, to je pravzaprav inkluzijska spojina: nekatere molekule vode so v votlinah strukture, ki jo tvorijo druge molekule.
Slika strukture vode v faznem stanju Si34 (levo) in fazni diagram v koordinatah λ / tlak (desno) / Institute of Industrial Science, University of Tokyo.
Promocijski video:
Odkrita odvisnost ni linearna, največji učinek na lastnosti vode se pojavi pri λ = 23,15.
Hajime Tanaka, eden od voditeljev projekta, je opozoril na pomembno vlogo raziskav v fizikalni kemiji.
Razmerje makroskopskih parametrov, kot je viskoznost, do mikroskopskih struktur, izdelanih s sorazmerno preprostim modelom, je res pomemben dosežek. S praktičnega vidika bi moralo razumevanje strukture vode pomagati pri razvoju učinkovitih finih filtrov.
Anton Bugajčuk