Едно от основните неща, които научаваме в часовете по физика, е, че водата може да съществува в три агрегатни състояния: като твърдо вещество лед, в течно състояние и под формата на газ, който наричаме пара. Международен екип от учени обаче наскоро е установил, че течната вода може в действителност да се прояви в две различни състояния.
Според описаното от учените в статия за International Journal of Nanotechnology, изследователите са останали изненадани от откритието си, изразяващо се в това, че някои физични свойства на водата се променят при температури между 50 ℃ и 60 ℃. Признаците за промяна към втори тип течно състояние са повод за разгорещени дискусии в научните среди. Ако бъде потвърдено откритието може да се окаже изключително полезно за различни области на науката, в това число в нанотехнологиите и биологията.
Агрегатните състояния, наричани още "фази", са ключово понятие в изследването на системи, състоящи се от атоми и молекули. Грубо описано, една система от множество молекули може да бъде структурирана в определен брой конфигурации в зависимост от общата ѝ енергия. При по-високи температури (и следователно по-високи енергии), молекулите имат повече възможни конфигурации и са в по-неорганизирано състояние, което означава, че могат да се движат относително по-свободно (в газовата фаза). При по-ниски температури, молекулите са с по-ограничен брой конфигурации и така образуват по-подредена фаза (течност). Ако температурата продължи да се понижава, те се подреждат в много специфична конфигурация, превръщайки се в твърдо вещество.
Тази картина е общовалидна за относително прости молекули, като тези на въглеродния диоксид или метана, при които има три ясно различни агрегатни състояния (течно, твърдо и газообразно състояние). Но за по-сложните молекули, съществуват повече възможни конфигурации и това води до повече на брой фази. Добра илюстрация на това е поведението на течните кристали, които се формират от сложни органични молекули и могат да се движат като течности, но в същото време запазват твърдата си кристална структура.
Тъй като фазата на едно вещество се определя от начина на подреждане на молекулите му, много физични свойства на това вещество се променят драстично, при преминаването му от едно състояние в друго. В конкретното изследване учените измерват няколко показателни физични свойства на водата при температури между 0℃ и 100℃ при нормално атмосферно налягане (т.е. докато водата е в течна фаза). Изненадващо установяват промени в свойства като повърхностното напрежение на водата и индекса ѝ на пречупване (т.е. как светлината се движи през водата) при температура от около 50 ℃
Кое прави възможно това? Структурата на водната молекула,H₂O, е необичайна и образно може да се представи като стрелка, на чийто връх има един кислороден атом, съпровождан от два водородни атома по "крилата" на стрелата. Електроните в молекулата вода са значително асиметрично поделени, превръщайки кислородния "връх" на молекулата в отрицателно зареден спрямо страна на водородните атоми. Тази на пръв поглед елементарна структурна особеност води до особено взаимодействие между водните молекули, наричано водородна връзка, и в което противоположните заряди се привличат.
Тази особеност дава на водата свойства, които в много случаи са различни от онези, наблюдавани при други течности. Например, за разлика от повечето други вещества, фиксирана маса вода заема по-голям обем като твърдо вещество (лед), отколкото като течност, заради специфичната структура на подреденост при молекулите. Друг пример е повърхностното напрежение на водата в течно състояние, което е приблизително два пъти по-голямо от това на неполяризирани, по-прости течности.
Водата също е доста просто съединение, но не чак толкова просто. Това означава, че едно от възможните обяснения за изненадващата "допълнителна фаза" на водата е, че тя се държи като течен кристал. Водородните връзки между молекулите запазват определен ред при ниски температури, но също така могат да заемат и по-малко подреден ред при течната фаза с по-висока температура. Така може да се обяснят промените във физичните свойства, наблюдавани от изследователите.
Ако бъдат потвърдени констатациите на авторите на разработката, биха могли да намерят приложения на много места. Например ако промените в околната среда (температурата, в частност) предизвикват промени във физичните свойства, това потенциално може да се използва при различни видове дистанционни измервания. На по-фундаментално ниво трябва да се отчита факта, че биологичните системи в по-голямата си част се състоят от вода. Как органичните молекули (като протеините) взаимодействат помежду си, вероятно е в пряка зависимост от специфичния начин, по който се организират водните молекули, за да формират течна фаза. Разбирането на механизма, по който се подреждат при различни температури водните молекули в крайна сметка може да се окаже ключов елемент за разбирането как си взаимодействат биологичните системи изобщо.
Откритието дава много потенциални възможности за разработки на теоретици и чисто емпирични изследвания. А е и много красноречив пример за това, как и най-познатото ни на пръв поглед вещество може да крие още тайни.
0 коментара:
Публикуване на коментар