Wetenskaplikes het 'n nuwe toestand van water ontdek

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Een van die basiese dinge wat ons in wetenskapklasse by die skool leer, is dat water in drie verskillende toestande kan bestaan: vaste ys, vloeibare water of gasvormige damp. Maar onlangs het 'n internasionale span wetenskaplikes tekens gevind dat vloeibare water eintlik in twee verskillende state kan bestaan.

Terwyl hulle navorsingswerk gedoen het - die resultate is later in die International Journal of Nanotechnology gepubliseer - het wetenskaplikes onverwags ontdek dat 'n aantal eienskappe in water verander met 'n temperatuur van 50 tot 60 ℃. Hierdie teken van die moontlike bestaan van 'n tweede vloeibare toestand van water het 'n hewige debat in wetenskaplike kringe ontketen. As dit bevestig word, sal die ontdekking toepassings vind op baie gebiede, insluitend nanotegnologie en biologie.

Aggregeerde toestande, wat ook "fases" genoem word, is die sleutelbegrip van die teorie van sisteme van atome en molekules. Rofweg gesproke kan 'n sisteem wat uit baie molekules bestaan in die vorm van 'n sekere aantal konfigurasies georganiseer word, afhangende van die totale hoeveelheid energie daarvan. By hoë temperature (en dus op 'n hoër energievlak) is 'n groter aantal konfigurasies vir molekules beskikbaar, dit wil sê, hulle is minder rigied georganiseer en beweeg relatief vrylik (gasfase). By laer temperature het molekules minder konfigurasies en is hulle in 'n meer georganiseerde (vloeibare) fase. As die temperatuur selfs laer daal, sal hulle een definitiewe konfigurasie aanneem en 'n vaste stof vorm.

Dit is die algemene stand van sake vir relatief eenvoudige molekules soos koolstofdioksied of metaan, wat drie verskillende toestande het (vloeistof, vaste stof en gas). Maar meer komplekse molekules het 'n groter aantal moontlike konfigurasies, wat beteken dat die aantal fases toeneem. 'n Uitstekende illustrasie hiervan is die dubbele gedrag van vloeibare kristalle, wat uit komplekse organiese molekules gevorm word en soos vloeistowwe kan vloei, maar steeds 'n soliede kristallyne struktuur behou.

Aangesien die fases van 'n stof deur sy molekulêre konfigurasie bepaal word, verander baie fisiese eienskappe dramaties wanneer 'n stof van een toestand na 'n ander oorgaan. In die voorgenoemde studie het die wetenskaplikes verskeie beheer-eienskappe van water gemeet tussen 0 en 100 ℃ onder normale atmosferiese toestande (sodat die water vloeibaar is). Onverwags het hulle dramatiese variasies in eienskappe gevind soos die oppervlakspanning van water en die brekingsindeks (die indeks wat weerspieël hoe lig deur water beweeg) by 'n temperatuur van ongeveer 50 ℃.

Spesiale struktuur

Hoe is dit moontlik? Die struktuur van die watermolekule, H₂O, is baie interessant en kan uitgebeeld word as 'n soort pyl, waar die suurstofatoom aan die bokant geleë is, en twee waterstofatome dit vanaf die flanke "vergesel". Elektrone in molekules is geneig om asimmetries versprei te word, wat is hoekom die molekule 'n negatiewe lading van die suurstofkant ontvang in vergelyking met die waterstofkant. Hierdie eenvoudige strukturele kenmerk lei tot die feit dat watermolekules op 'n sekere manier met mekaar begin in wisselwerking tree, hul teenoorgestelde ladings trek aan en vorm 'n sogenaamde waterstofbinding.

Dit laat water in baie gevalle anders optree as wat ander eenvoudige vloeistowwe waargeneem het. Byvoorbeeld, anders as die meeste ander stowwe, neem 'n sekere massa water meer spasie in 'n vaste toestand (in die vorm van ys) op as in 'n vloeibare toestand, as gevolg van die feit dat sy molekules 'n spesifieke reëlmatige struktuur vorm. Nog 'n voorbeeld is die oppervlakspanning van vloeibare water, wat twee keer dié van ander nie-polêre, eenvoudiger vloeistowwe is.

Die water is redelik eenvoudig, maar nie oorweldigend nie. Dit beteken dat die enigste verduideliking vir die bykomende fase van water wat homself gemanifesteer het, is dat dit 'n bietjie soos 'n vloeibare kristal optree. Waterstofbindings tussen molekules handhaaf 'n sekere orde by lae temperature, maar hulle kan ook na 'n ander, meer vrye toestand kom met toenemende temperatuur. Dit verklaar die beduidende afwykings wat deur wetenskaplikes tydens navorsing waargeneem is.

As dit bevestig word, kan die skrywers se gevolgtrekkings baie gebruike hê. Byvoorbeeld, as veranderinge in die omgewing (bv. temperatuur) veranderinge in die fisiese eienskappe van 'n stof meebring, kan dit teoreties gebruik word om klanktoerusting te skep. Of jy kan dit meer fundamenteel benader – biologiese stelsels bestaan hoofsaaklik uit water. Hoe organiese molekules (soos proteïene) met mekaar in wisselwerking is, sal waarskynlik afhang van hoe die watermolekules die vloeistoffase vorm. As jy verstaan hoe watermolekules gemiddeld by verskillende temperature optree, kan jy verduidelik hoe hulle in biologiese sisteme in wisselwerking tree.

Hierdie ontdekking is 'n wonderlike geleentheid vir teoretici en eksperimenteerders, sowel as 'n uitstekende voorbeeld van die feit dat selfs die mees bekende stof geheime in homself kan verberg.

Rodrigo Ledesma Aguilar