Vědci objevili nový stav vody

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Jedna ze základních věcí, které se ve škole učíme v hodinách přírodních věd, je, že voda může existovat ve třech různých skupenstvích: pevný led, kapalná voda nebo plynná pára. Nedávno však mezinárodní tým vědců našel známky toho, že kapalná voda může skutečně existovat ve dvou různých stavech.

Při provádění výzkumných prací - výsledky byly později zveřejněny v International Journal of Nanotechnology - vědci nečekaně zjistili, že řada vlastností se mění ve vodě s teplotou 50 až 60 ℃. Tato známka možné existence druhého kapalného skupenství vody vyvolala ve vědeckých kruzích bouřlivou debatu. Pokud se potvrdí, pak objev najde uplatnění v mnoha oblastech, včetně nanotechnologií a biologie.

Agregátní stavy, kterým se také říká „fáze“, jsou klíčovým konceptem teorie systémů atomů a molekul. Zhruba řečeno, systém skládající se z mnoha molekul může být organizován ve formě určitého počtu konfigurací v závislosti na jeho celkovém množství energie. Při vysokých teplotách (a tedy na vyšší energetické úrovni) mají molekuly k dispozici větší počet konfigurací, to znamená, že jsou méně rigidně organizovány a pohybují se relativně volně (plynná fáze). Při nižších teplotách mají molekuly méně konfigurací a jsou ve více organizované (kapalné) fázi. Pokud teplota klesne ještě níže, zaujmou jednu určitou konfiguraci a vytvoří pevnou látku.

Toto je obecný stav věcí pro relativně jednoduché molekuly, jako je oxid uhličitý nebo metan, které mají tři různé stavy (kapalina, pevná látka a plyn). Ale složitější molekuly mají větší počet možných konfigurací, což znamená, že se zvyšuje počet fází. Skvělým příkladem toho je dvojí chování tekutých krystalů, které se tvoří z komplexů organických molekul a mohou proudit jako kapaliny, ale stále si zachovávají pevnou krystalickou strukturu.

Protože fáze látky jsou určeny její molekulární konfigurací, mnoho fyzikálních vlastností se dramaticky mění, když látka přechází z jednoho stavu do druhého. Ve výše uvedené studii vědci naměřili několik kontrolních vlastností vody mezi 0 a 100 ℃ za normálních atmosférických podmínek (takže voda je kapalná). Neočekávaně našli dramatické změny ve vlastnostech, jako je povrchové napětí vody a index lomu (index, který odráží, jak světlo prochází vodou) při teplotě asi 50 ℃.

Speciální struktura

Jak je tohle možné? Struktura molekuly vody, H₂O, je velmi zajímavá a lze ji znázornit jako jakousi šipku, kde atom kyslíku je umístěn nahoře a dva atomy vodíku jej „doprovázejí“z boků. Elektrony v molekulách mají tendenci být distribuovány asymetricky, a proto molekula dostává záporný náboj ze strany kyslíku ve srovnání se stranou vodíku. Tato jednoduchá strukturní vlastnost vede k tomu, že molekuly vody spolu začnou určitým způsobem interagovat, jejich opačné náboje se přitahují a vytvářejí tzv. vodíkovou vazbu.

To umožňuje, aby se voda v mnoha případech chovala odlišně od toho, co pozorovaly jiné jednoduché kapaliny. Například na rozdíl od většiny ostatních látek zabírá určitá masa vody v pevném skupenství (ve formě ledu) více místa než v kapalném skupenství, a to díky tomu, že její molekuly tvoří specifickou pravidelnou strukturu. Dalším příkladem je povrchové napětí kapalné vody, které je dvakrát vyšší než u jiných nepolárních, jednodušších kapalin.

Voda je docela jednoduchá, ale ne ohromující. To znamená, že jediné vysvětlení dodatečné fáze vody, která se projevila, je to, že se chová trochu jako tekutý krystal. Vodíkové vazby mezi molekulami si při nízkých teplotách udržují určitý řád, ale s rostoucí teplotou mohou také přejít do jiného, volnějšího stavu. To vysvětluje významné odchylky, které vědci během výzkumu pozorovali.

Pokud se to potvrdí, mohou mít závěry autorů mnoho využití. Například, pokud změny v prostředí (řekněme, teplota) znamenají změny ve fyzikálních vlastnostech látky, teoreticky to lze použít k vytvoření zvukového zařízení. Nebo k tomu můžete přistoupit zásadněji – biologické systémy jsou složeny převážně z vody. Jak organické molekuly (jako jsou proteiny) na sebe vzájemně působí, bude pravděpodobně záviset na tom, jak molekuly vody tvoří kapalnou fázi. Pokud pochopíte, jak se molekuly vody v průměru chovají při různých teplotách, můžete objasnit, jak interagují v biologických systémech.

Tento objev je skvělou příležitostí pro teoretiky a experimentátory a také vynikajícím příkladem toho, že i ta nejznámější látka v sobě může skrývat tajemství.

Rodrigo Ledesma Aguilar