Zinātnieki ir atklājuši jaunu ūdens stāvokli

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Viena no pamatlietām, ko mēs mācāmies dabaszinātņu stundās skolā, ir tā, ka ūdens var pastāvēt trīs dažādos stāvokļos: cietā ledus, šķidrā ūdenī vai gāzveida tvaikā. Taču nesen starptautiska zinātnieku komanda ir atklājusi pazīmes, ka šķidrais ūdens faktiski var pastāvēt divos dažādos stāvokļos.

Veicot pētniecisko darbu – rezultāti vēlāk tika publicēti International Journal of Nanotechnology – zinātnieki negaidīti atklāja, ka ūdenī, kura temperatūra ir no 50 līdz 60 ℃, mainās vairākas īpašības. Šī zīme par iespējamu ūdens otrā šķidrā stāvokļa esamību ir izraisījusi asas debates zinātnieku aprindās. Ja tas tiks apstiprināts, atklājums atradīs pielietojumu daudzās jomās, tostarp nanotehnoloģijā un bioloģijā.

Agregāti stāvokļi, kurus sauc arī par "fāzēm", ir atomu un molekulu sistēmu teorijas galvenais jēdziens. Aptuveni runājot, sistēmu, kas sastāv no daudzām molekulām, var organizēt noteikta skaita konfigurāciju veidā atkarībā no tās kopējā enerģijas daudzuma. Augstās temperatūrās (un līdz ar to arī augstākā enerģijas līmenī) molekulām ir pieejams lielāks konfigurāciju skaits, tas ir, tās ir mazāk stingri organizētas un pārvietojas salīdzinoši brīvi (gāzes fāze). Zemākā temperatūrā molekulām ir mazāk konfigurāciju, un tās atrodas organizētākā (šķidrā) fāzē. Ja temperatūra pazeminās vēl zemāk, tie pieņems vienu noteiktu konfigurāciju un veidos cietu vielu.

Šis ir vispārējais stāvoklis salīdzinoši vienkāršām molekulām, piemēram, oglekļa dioksīdam vai metānam, kurām ir trīs atšķirīgi stāvokļi (šķidrums, ciets un gāzēts). Bet sarežģītākām molekulām ir lielāks iespējamo konfigurāciju skaits, kas nozīmē, ka palielinās fāžu skaits. Lielisks piemērs tam ir šķidro kristālu dubultā uzvedība, kas veidojas no organisko molekulu kompleksiem un var plūst kā šķidrumi, bet joprojām saglabā cietu kristālisku struktūru.

Tā kā vielas fāzes nosaka tās molekulārā konfigurācija, daudzas fizikālās īpašības krasi mainās, vielai pārejot no viena stāvokļa citā. Iepriekš minētajā pētījumā zinātnieki noteica vairākas ūdens kontroles īpašības no 0 līdz 100 ℃ normālos atmosfēras apstākļos (lai ūdens būtu šķidrs). Negaidīti viņi atrada dramatiskas atšķirības tādās īpašībās kā ūdens virsmas spraigums un laušanas indekss (indekss, kas atspoguļo gaismas pārvietošanos caur ūdeni) aptuveni 50 ℃ temperatūrā.

Īpaša struktūra

Kā tas ir iespējams? Ūdens molekulas H₂O struktūra ir ļoti interesanta, un to var attēlot kā bultiņu, kur skābekļa atoms atrodas augšpusē, bet divi ūdeņraža atomi to "pavada" no sāniem. Elektroni molekulās mēdz izplatīties asimetriski, tāpēc molekula saņem negatīvu lādiņu no skābekļa puses, salīdzinot ar ūdeņraža pusi. Šī vienkāršā struktūras iezīme noved pie tā, ka ūdens molekulas sāk noteiktā veidā mijiedarboties savā starpā, to pretējie lādiņi piesaista, veidojot tā saukto ūdeņraža saiti.

Tas ļauj ūdenim daudzos gadījumos izturēties savādāk nekā citi vienkāršie šķidrumi. Piemēram, atšķirībā no vairuma citu vielu noteikta ūdens masa cietā stāvoklī (ledus veidā) aizņem vairāk vietas nekā šķidrā stāvoklī, jo tā molekulas veido noteiktu regulāru struktūru. Vēl viens piemērs ir šķidra ūdens virsmas spraigums, kas ir divreiz lielāks nekā citiem nepolāriem, vienkāršākiem šķidrumiem.

Ūdens ir diezgan vienkāršs, bet ne pārliecinošs. Tas nozīmē, ka vienīgais izskaidrojums ūdens papildu fāzei, kas ir izpaudusies, ir tas, ka tas uzvedas nedaudz kā šķidrais kristāls. Ūdeņraža saites starp molekulām saglabā noteiktu kārtību zemā temperatūrā, taču, palielinoties temperatūrai, tās var nonākt arī citā, brīvākā stāvoklī. Tas izskaidro ievērojamās novirzes, ko zinātnieki novērojuši pētījumu laikā.

Ja tas apstiprināsies, autoru secinājumiem var būt daudz noderīguma. Piemēram, ja izmaiņas vidē (teiksim, temperatūra) izraisa izmaiņas vielas fizikālajās īpašībās, teorētiski to var izmantot, lai izveidotu zondēšanas aprīkojumu. Vai arī tam var pieiet fundamentālāk – bioloģiskās sistēmas sastāv galvenokārt no ūdens. Tas, kā organiskās molekulas (piemēram, olbaltumvielas) mijiedarbojas viena ar otru, visticamāk, būs atkarīgs no tā, kā ūdens molekulas veido šķidro fāzi. Ja jūs saprotat, kā ūdens molekulas vidēji uzvedas dažādās temperatūrās, varat noskaidrot, kā tās mijiedarbojas bioloģiskajās sistēmās.

Šis atklājums ir lieliska iespēja teorētiķiem un eksperimentētājiem, kā arī lielisks piemērs tam, ka pat vispazīstamākā viela var sevī slēpt noslēpumus.

Rodrigo Ledesma Agilars