Ena osnovnih stvari, ki se jih naučimo pri pouku v naravoslovju v šoli, je, da lahko voda obstaja v treh različnih stanjih: trdem ledu, tekoči vodi ali plinasti hlapi. Toda nedavno je mednarodna skupina znanstvenikov ugotovila, da lahko tekoča voda dejansko obstaja v dveh različnih državah.
Med izvajanjem raziskovalnega dela - rezultati so bili kasneje objavljeni v International Journal of Nanotechnology - so znanstveniki nepričakovano odkrili, da se številne lastnosti vode spreminjajo pri temperaturi od 50 do 60 ℃. Ta znak morebitnega obstoja drugega tekočega stanja vode je v znanstvenih krogih sprožil burno razpravo. Če se to potrdi, bo odkritje našlo uporabo na številnih področjih. Če se to potrdi, bo odkritje našlo uporabo na številnih področjih, vključno z nanotehnologijo in biologijo.
Agregatna stanja, ki jih imenujemo tudi "faze", so ključni koncept teorije sistemov atomov in molekul. Grobo rečeno, sistem, sestavljen iz številnih molekul, je lahko organiziran v obliki določenega števila konfiguracij, odvisno od njegove celotne količine energije. Pri visokih temperaturah (in s tem pri višji energijski ravni) je molekulam na voljo večje število konfiguracij, to pomeni, da so manj togo organizirane in se razmeroma prosto gibljejo (plinska faza). Pri nižjih temperaturah imajo molekule manj konfiguracij in so v bolj organizirani (tekoči) fazi. Če temperatura pade še nižje, bodo prevzeli eno natančno konfiguracijo in tvorili trdno snov.
To je splošno stanje za relativno preproste molekule, kot sta ogljikov dioksid ali metan, ki imajo tri različna stanja (tekoče, trdno in plin). Toda bolj zapletene molekule imajo večje število možnih konfiguracij, kar pomeni, da se število faz povečuje. Odlična ilustracija tega je dvojno obnašanje tekočih kristalov, ki nastanejo iz kompleksov organskih molekul in lahko tečejo kot tekočine, vendar obdržijo trdno kristalno strukturo.
Ker faze snovi določa njena molekularna konfiguracija, se številne fizikalne lastnosti močno spremenijo, ko snov prehaja iz enega stanja v drugo. V omenjeni študiji so znanstveniki izmerili več nadzornih lastnosti vode med 0 in 100 ℃ v normalnih atmosferskih pogojih (tako da je voda tekoča). Nepričakovano so odkrili dramatične razlike v lastnostih, kot sta površinska napetost vode in lomni količnik (indeks, ki odraža, kako svetloba potuje skozi vodo) pri temperaturah okoli 50 ℃.
Posebna zgradba
Kako je to mogoče? Zgradba molekule vode H₂O je zelo zanimiva in jo lahko upodobimo kot nekakšno puščico, kjer je na vrhu atom kisika, iz bokov pa ga "spremljata" dva atoma vodika. Elektroni v molekulah se običajno porazdelijo asimetrično, zato molekula prejme negativni naboj s kisikove strani v primerjavi z vodikovo stranjo. Ta preprosta strukturna značilnost vodi do dejstva, da molekule vode začnejo na določen način medsebojno vplivati, njihovi nasprotni naboji se privlačijo in tvorijo tako imenovano vodikovo vez.
Promocijski video:
To omogoča, da se voda v mnogih primerih obnaša drugače, kot so opazile druge preproste tekočine. Na primer, za razliko od večine drugih snovi določena masa vode zavzame več prostora v trdnem stanju (v obliki ledu) kot v tekočem, ker njene molekule tvorijo določeno pravilno strukturo. Drug primer je površinska napetost tekoče vode, ki je dvakrat večja kot pri drugih nepolarnih, enostavnejših tekočinah.
Voda je precej preprosta, a ne izjemna. To pomeni, da je edina razlaga dodatne faze vode, ki se je pokazala, ta, da se obnaša nekoliko kot tekoči kristal. Vodikove vezi med molekulami ohranjajo določen red pri nizkih temperaturah, lahko pa z naraščajočo temperaturo pridejo tudi v drugo, bolj prosto stanje. To pojasnjuje pomembna odstopanja, ki so jih znanstveniki opazili med raziskavami.
Če je vse potrjeno, lahko zaključki avtorjev najdejo veliko uporab. Če na primer spremembe v okolju (recimo temperatura) povzročijo spremembe fizikalnih lastnosti snovi, se to teoretično lahko uporabi za ustvarjanje sondažne opreme. Ali pa se mu lahko lotite bolj temeljno - biološki sistemi so sestavljeni predvsem iz vode. Kako medsebojno vplivajo organske molekule (na primer beljakovine), je verjetno odvisno od tega, kako molekule vode tvorijo tekočo fazo. Če razumete, kako se molekule vode v povprečju obnašajo pri različnih temperaturah, lahko pojasnite, kako delujejo v bioloških sistemih.
To odkritje je odlična priložnost za teoretike in eksperimentatorje in tudi odličen primer dejstva, da lahko tudi najbolj znana snov skriva skrivnosti v sebi.