Forskare har upptäckt ett nytt vattentillstånd

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

En av de grundläggande sakerna vi lär oss i naturvetenskapsklasser i skolan är att vatten kan existera i tre olika tillstånd: fast is, flytande vatten eller gasformig ånga. Men nyligen har ett internationellt team av forskare hittat tecken på att flytande vatten faktiskt kan existera i två olika stater.

Under forskningsarbetet - resultaten publicerades senare i International Journal of Nanotechnology - upptäckte forskare oväntat att ett antal egenskaper förändras i vatten med en temperatur på 50 till 60 ℃. Detta tecken på den möjliga existensen av ett andra flytande tillstånd av vatten har väckt en het debatt i vetenskapliga kretsar. Om den bekräftas kommer upptäckten att hitta tillämpningar inom många områden, inklusive nanoteknik och biologi.

Aggregattillstånd, som också kallas "faser", är nyckelbegreppet i teorin om system av atomer och molekyler. Grovt sett kan ett system som består av många molekyler organiseras i form av ett visst antal konfigurationer beroende på dess totala mängd energi. Vid höga temperaturer (och därför på en högre energinivå) är ett större antal konfigurationer tillgängliga för molekyler, det vill säga de är mindre styvt organiserade och rör sig relativt fritt (gasfas). Vid lägre temperaturer har molekyler färre konfigurationer och är i en mer organiserad (flytande) fas. Om temperaturen sjunker ännu lägre kommer de att anta en bestämd konfiguration och bilda ett fast ämne.

Detta är det allmänna tillståndet för relativt enkla molekyler som koldioxid eller metan, som har tre distinkta tillstånd (flytande, fast och gas). Men mer komplexa molekyler har ett större antal möjliga konfigurationer, vilket gör att antalet faser ökar. En utmärkt illustration av detta är det dubbla beteendet hos flytande kristaller, som bildas av komplex av organiska molekyler och kan flyta som vätskor, men ändå behålla en fast kristallin struktur.

Eftersom faserna av ett ämne bestäms av dess molekylära konfiguration, förändras många fysikaliska egenskaper dramatiskt när ett ämne övergår från ett tillstånd till ett annat. I den tidigare nämnda studien mätte forskarna flera kontrollegenskaper hos vatten mellan 0 och 100 ℃ under normala atmosfäriska förhållanden (så att vattnet är flytande). Oväntat fann de dramatiska variationer i egenskaper som vattens ytspänning och brytningsindex (indexet som reflekterar hur ljus färdas genom vatten) vid en temperatur på cirka 50 ℃.

Särskild struktur

Hur är detta möjligt? Strukturen av vattenmolekylen, H₂O, är mycket intressant och kan avbildas som en sorts pil, där syreatomen är placerad längst upp och två väteatomer "ledsagerar" den från flankerna. Elektroner i molekyler tenderar att fördelas asymmetriskt, vilket är anledningen till att molekylen får en negativ laddning från syresidan jämfört med vätesidan. Denna enkla strukturella egenskap leder till det faktum att vattenmolekyler börjar interagera med varandra på ett visst sätt, deras motsatta laddningar attraherar och bildar en så kallad vätebindning.

Detta gör att vatten i många fall kan bete sig annorlunda än vad andra enkla vätskor har observerat. Till exempel, till skillnad från de flesta andra ämnen, tar en viss vattenmassa upp mer plats i fast tillstånd (i form av is) än i flytande tillstånd, på grund av att dess molekyler bildar en specifik regelbunden struktur. Ett annat exempel är ytspänningen hos flytande vatten, som är dubbelt så stor som andra opolära, enklare vätskor.

Vattnet är ganska enkelt, men inte överväldigande. Det betyder att den enda förklaringen till den ytterligare fasen av vatten som har visat sig är att det beter sig lite som en flytande kristall. Vätebindningar mellan molekyler håller en viss ordning vid låga temperaturer, men de kan också komma till ett annat, friare tillstånd med ökande temperatur. Detta förklarar de betydande avvikelser som observerats av forskare under forskning.

Om detta bekräftas kan författarnas slutsatser ha många användningsområden. Till exempel, om förändringar i miljön (t.ex. temperatur) medför förändringar i de fysikaliska egenskaperna hos ett ämne, kan detta teoretiskt användas för att skapa sonderingsutrustning. Eller så kan du närma dig det mer fundamentalt - biologiska system består huvudsakligen av vatten. Hur organiska molekyler (som proteiner) interagerar med varandra beror sannolikt på hur vattenmolekylerna bildar vätskefasen. Om du förstår hur vattenmolekyler beter sig i genomsnitt vid olika temperaturer kan du klargöra hur de interagerar i biologiska system.

Denna upptäckt är en stor möjlighet för teoretiker och experimenterare, såväl som ett utmärkt exempel på det faktum att även den mest välbekanta substansen kan dölja hemligheter inom sig själv.

Rodrigo Ledesma Aguilar