Jednou z nejzákladnějších věcí, kterou se ve školních hodinách vyučujeme, je to, že voda může existovat ve třech různých státech, buď jako pevný led, kapalná voda nebo parní plyn. Mezinárodní tým vědců však nedávno našel náznaky, že tekutá voda by mohla skutečně přijít ve dvou různých státech.
V experimentálním článku publikovaném v International Journal of Nanotechnology byli vědci překvapeni, když zjistili, že řada fyzikálních vlastností vody mění jejich chování mezi 50 ℃ a 60 ℃. Toto znamení potenciální změny na druhý kapalný stav by mohlo vyvolat vzrušující diskusi ve vědecké komunitě. A pokud bude potvrzena, mohla by mít důsledky pro celou řadu oblastí, včetně nanotechnologií a biologie.
Stavy hmoty, také nazývané „fáze“, jsou klíčovým pojmem při studiu systémů vyrobených z atomů a molekul. Zhruba řečeno, systém vytvořený z mnoha molekul může být uspořádán v určitém počtu konfigurací v závislosti na jeho celkové energii. Při vyšších teplotách (a tedy vyšších energiích) mají molekuly více možných konfigurací, a proto jsou více neorganizované a mohou se pohybovat relativně volně (plynná fáze). Při nižších teplotách mají molekuly omezenější počet konfigurací, a tak tvoří uspořádanější fázi (kapalinu). Pokud teplota dále klesá, uspořádají se ve velmi specifické konfiguraci a vytvoří pevnou látku.
Tento obrázek je společný pro relativně jednoduché molekuly, jako je oxid uhličitý nebo metan, které mají tři jasné, různé stavy (kapalina, pevná látka a plyn). Ale pro složitější molekuly existuje větší počet možných konfigurací, což vede k více fázím. Nádherným příkladem je bohaté chování tekutých krystalů, které jsou tvořeny složitými organickými molekulami a mohou teče jako kapaliny, ale stále mají pevnou krystalickou strukturu
Protože fáze látky je určena konfigurací jejích molekul, mnoho fyzikálních vlastností této látky se náhle změní, jak přechází z jednoho stavu do druhého. V nedávné práci vědci měřili několik výpovědních fyzikálních vlastností vody při teplotách mezi 0 ℃ a 100 ℃ za normálních atmosférických podmínek (což znamená, že voda byla kapalina). Překvapivě zjistili, že vlastnosti kolem povrchového napětí vody a jeho indexu lomu (míra toho, jak se jím světlo prochází), byly kolem 50 k.
Jak to může být? Struktura molekuly vody, H2O, je velmi zajímavá a může být zobrazena jako jakýsi hrot se šipkou, přičemž dva atomy vodíku lemují atom kyslíku nahoře. Elektrony v molekule mají tendenci být distribuovány poněkud asymetricky, takže kyslíková strana je záporně nabitá ve srovnání s vodíkovou stranou. Tento jednoduchý strukturální znak vede k jakési interakci mezi molekulami vody známými jako vodíková vazba, ve které se protikladné náboje přitahují.
To dává vlastnosti vody, které v mnoha případech narušují trendy pozorované pro jiné jednoduché kapaliny. Například, na rozdíl od většiny ostatních látek, pevná hmota vody zabírá více místa jako pevná látka (led) než jako (kapalina) kvůli způsobu, jakým molekuly vytvářejí specifickou pravidelnou strukturu. Dalším příkladem je povrchové napětí kapalné vody, což je zhruba dvojnásobek povrchového napětí jiných nepolárních, jednodušších kapalin.
Voda je dostatečně jednoduchá, ale ne příliš jednoduchá. To znamená, že jednou z možností pro vysvětlení zřejmé další fáze vody je to, že se chová trochu jako tekutý krystal. Vodíkové vazby mezi molekulami udržují určitý řád při nízkých teplotách, ale nakonec by při vyšších teplotách mohly trvat druhou, méně uspořádanou kapalnou fázi. To by mohlo vysvětlit zlomy pozorované vědci v jejich datech.
Pokud bude potvrzeno, nálezy autorů mohou mít mnoho aplikací. Pokud například změny v prostředí (jako je teplota) způsobí změny fyzikálních vlastností látky, pak to může být potenciálně použito pro snímání aplikací. A co je podstatnější, biologické systémy jsou většinou vyrobeny z vody. Jak biologické molekuly (jako jsou proteiny) vzájemně interagují, závisí pravděpodobně na konkrétním způsobu, jakým molekuly vody uspořádají kapalnou fázi. Pochopení toho, jak se molekuly vody v průměru při různých teplotách uspořádají, by mohlo osvětlit fungování interakce v biologických systémech.
Objev je pro teoretiky a experimentátory vzrušující příležitostí a je to krásný příklad toho, jak i ta nejznámější látka má uvnitř tajemství.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation. Přečtěte si původní článek.
