Едно от най-основните неща, на които се учат в часовете по училищна наука, е, че водата може да съществува в три различни състояния, като твърд лед, течна вода или пари от газ. Но наскоро международен екип учени откриха признаци, че течната вода всъщност може да идва в две различни състояния.
Писайки в експериментална книга, публикувана в International Journal of Nanotechnology, изследователите бяха изненадани, когато откриха редица физични свойства на водата да променят поведението си между 50 ℃ и 60 ℃. Този знак за потенциална промяна във второ течно състояние може да предизвика разгорещена дискусия в научната общност. И ако бъде потвърдено, това може да има последици за редица области, включително нанотехнологиите и биологията.
Състоянията на материята, наричани още „фази“, са ключово понятие при изследването на системи, направени от атоми и молекули. Грубо казано, система, формирана от много молекули, може да бъде подредена 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 могат да се движат относително свободно (газовата фаза). При по-ниски температури молекулите имат по-ограничен брой конфигурации и така образуват по-подредена фаза (течност). Ако температурата се понижи допълнително, те се подреждат в много специфична конфигурация, създавайки твърдо вещество.
Тази картина е обичайна за сравнително прости молекули като въглероден диоксид или метан, които имат три ясни, различни състояния (течни, твърди и газови). Но за по-сложните молекули има по-голям брой възможни конфигурации и това води до повече фази. Красива илюстрация за това е богатото поведение на течните кристали, които се образуват от сложни органични молекули и могат да протичат като течности, но все пак имат твърда кристална структура
Тъй като фазата на веществото се определя от това как са конфигурирани неговите молекули, много физични свойства на това вещество ще се променят рязко, като преминава от едно състояние в друго. В неотдавнашната статия изследователите измериха няколко показателни физични свойства на водата при температури между 0 и 100 ℃ при нормални атмосферни условия (което означава, че водата е течност). Изненадващо, те откриха кик в свойства като повърхностното напрежение на водата и нейния коефициент на пречупване (мярка за това как светлината преминава през нея) на около 50 ℃.
Как може да бъде това? Структурата на водна молекула, H2O, е много интересна и може да се изобрази като вид на върха на стрелката, като двата водородни атома обграждат кислородния атом в горната част. Електроните в молекулата са склонни да се разпределят по доста асиметричен начин, което прави кислородната страна отрицателно заредена спрямо водородната страна. Тази проста структурна характеристика води до един вид взаимодействие между водни молекули, известно като водородна връзка, при което противоположните заряди се привличат взаимно.
Това дава свойства на водата, които в много случаи нарушават тенденциите, наблюдавани при други прости течности. Например, за разлика от повечето други вещества, фиксирана маса вода заема повече място като твърдо вещество (лед), отколкото като (течност) поради начина, по който молекулите образуват специфична правилна структура. Друг пример е повърхностното напрежение на течната вода, което е приблизително два пъти по-високо от това на други неполярни, по-прости, течности.
Водата е достатъчно проста, но не твърде проста. Това означава, че една възможност за обяснение на привидната допълнителна фаза на водата е, че тя се държи малко като течен кристал. Водородните връзки между молекулите поддържат някакъв ред при ниски температури, но в крайна сметка може да отнеме втора, по-малко подредена течна фаза при по-високи температури. Това би могло да обясни извиненията, наблюдавани от изследователите в техните данни.
Ако бъдат потвърдени, откритията на авторите могат да имат много приложения. Например, ако промените в околната среда (като температура) причиняват промени във физическите свойства на веществото, това потенциално може да се използва за сензорни приложения. Може би по-съществено, биологичните системи са изградени предимно от вода. Как биологичните молекули (като протеини) взаимодействат помежду си вероятно зависи от специфичния начин, по който водните молекули се подреждат, за да образуват течна фаза. Разбирането как молекулите на водата се подреждат средно при различни температури може да хвърли светлина върху работата на начина, по който те взаимодействат в биологичните системи.
Откритието е вълнуваща възможност за теоретици и експерименталисти и прекрасен пример за това как дори и най-познатото вещество все още крие в себе си тайни.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.
