Направи дарение на училище!

Едно от основните неща, които се преподават в училище по време на часовете по наука, е, че водата може да съществува в три различни състояния – като твърд лед, течна вода или газообразна пара. Но международен екип от учени скоро откри признаци, че течната вода може да бъде в две различни състояния.

Пишейки експериментален доклад, публикуван в International Journal of Nanotechnology, изследователите са изненадани да открият редица физични свойства на водата, които променят поведението си между 50°С и 60°С. Този белег на потенциална промяна във второ течно състояние може да запали гореща дискусия в научното общество. И, ако това бъде потвърдено, може да има приложение в някои области, като например нанотехнологията и биологията.

Състоянията на материята, наречени още “фази”, са ключова концепция в изследването на системите, направени от атоми и молекули. Грубо казано, система, формирана от много молекули, може да бъде организирана в определен брой конфигурации, в зависимост от нейната обща енергия. При по-високи температури (и следователно по-високи енергии), молекулите имат повече възможни конфигурации и затова са по-неорганизирани и се движат относително свободно (газообразната фаза). При по-ниски температури, молекулите имат по-ограничен брой конфигурации и следователно формират по-подредена фаза (течната). Ако температурата спадне още повече, те се подреждат в много специфична конфигурация, произвеждайки твърда маса.

Това се отнася за относително простите молекули като тези на въглеродния диоксид или метана, които имат три различни състояния (течно, твърдо и гаазообразно). Но при по-сложните молекули има по-голям брой възможни конфигурации и това поражда повече фази. Красива илюстрация на това е богатото поведение на течните кристали, които са образувани от сложни органични молекули и могат да текат като течности, но все пак имат твърда кристална структура.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Понеже фазата на веществото се определя от това как са конфигурирани молекулите, много физични свойства на веществото се променят рязко, когато то преминава от една фаза в друга. В настоящото изследване учените измерват няколко издайнически физични свойства на водата при температури между 0°С и 100°С в нормални атмосферни условия (което значи, че водата е била първоначално течна). Изненадващо откриват странности в свойства като повърхностното напрежение на водата и показателя на пречупване (мярка за това как светлината преминава през нея) при температура около 50°С.

Специална структура

Как е възможно това? Структурата на водната молекула, H₂O, е много интересна и може да бъде изобразена като вид връх на стрела, с двата водородни атоми, които заграждат кислородния атом в горната част. Електроните в молекулата са склонни да бъдат разпределени по един доста асиметричен начин, правейки кислородната част отрицателно заредена спрямо водородната част. Тази проста структура води до вид взаимодействие между водните молекули, известно като водородно свързване, при което противоположните заряди се привличат помежду си.

Това дава на водата свойства, които в много случаи не съвпадат с наблюденията при други прости течности. Например, за разлика от повечето вещества, фиксираната маса на водата заема повече място в твърдо състояние (като лед), отколкото в течно, заради начина, по който молекулите ѝ оформят специфична структура. Друг пример е повърхностното напрежение на водата в течно състояние, което е приблизително два пъти повече отколкото при други неполярни, по-прости течности.

Водата е доста, но не и твърде проста. Това означава, че една възможност за обяснението на допълнителната фаза на водата е свързана с това, че тя има поведение подобно на течен кристал. Водородните връзки между молекулите запазват някакъв ред при ниски температури, но е възможно да възприемат втора, по-малко подредена фаза при по-високи температури. Което обяснява откритите от изследователите странности в данните.

Ако това бъде потвърдено, откритията на авторите могат да имат много приложения. Например, ако промените в околната среда (като температурата) причиняват промени във физичните свойства на веществото, то това би могло да се използва в сензорните приложения. Може би още по-основното: биологичните системи са направени най-вече от вода. Как биологичните молекули (като протеини) взаимодействат едни с други вероятно зависи от специфичния начин, по който водните молекули се организират, за да образуват течно състояние. Знанието за това как водните молекули се подреждат средно при различни температури, може да хвърли светлина върху начина, по който взаимодействат в биологичните системи.

Това откритие е вълнуваща възможност за теоретиците и експериментаторите, както и красив пример за това как дори най-познатите ни вещества все още имат своите тайни.

Превод: Йоанна Николова

Източник: Quartz

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!