Viena no pamatlietām, ko mēs mācāmies dabaszinību stundās skolā, ir tā, ka ūdens var pastāvēt trīs dažādos stāvokļos: ciets ledus, šķidrs ūdens vai gāzveida tvaiki. Bet nesen starptautiska zinātnieku komanda ir atradusi pazīmes, ka šķidrs ūdens faktiski var pastāvēt divās dažādās valstīs.
Veicot pētniecisko darbu - rezultāti vēlāk tika publicēti International Journal of Nanotechnology - zinātnieki negaidīti atklāja, ka ūdenī ar temperatūru no 50 līdz 60 ℃ mainās vairākas īpašības. Šī iespējamā otrā šķidrā ūdens stāvokļa pazīme ir izraisījusi asas diskusijas zinātniskās aprindās. Ja tas tiks apstiprināts, atklājums atradīs pielietojumu daudzās jomās. Ja tas tiks apstiprināts, tad atklājums atradīs pielietojumu daudzās jomās, tostarp nanotehnoloģijā un bioloģijā.
Kopējie stāvokļi, kurus sauc arī par "fāzēm", ir galvenais atomu un molekulu sistēmu teorijas jēdziens. Aptuveni runājot, sistēmu, kas sastāv no daudzām molekulām, var organizēt noteikta konfigurāciju skaita veidā atkarībā no tā kopējā enerģijas daudzuma. Augstās temperatūrās (un līdz ar to arī augstākā enerģijas līmenī) molekulām ir pieejams lielāks skaits konfigurāciju, tas ir, tās ir mazāk stingri organizētas un pārvietojas samērā brīvi (gāzes fāze). Zemākā temperatūrā molekulām ir mazāk konfigurāciju un tās ir organizētākā (šķidrā) fāzē. Ja temperatūra nokritīs vēl zemāk, viņi pieņems noteiktu konfigurāciju un veidos cietu vielu.
Šis ir vispārējais stāvoklis salīdzinoši vienkāršām molekulām, piemēram, oglekļa dioksīdam vai metānam, kam ir trīs atšķirīgi stāvokļi (šķidrs, ciets un gāzveida). Bet sarežģītākām molekulām ir lielāks iespējamo konfigurāciju skaits, kas nozīmē, ka fāžu skaits palielinās. To lieliski ilustrē šķidro kristālu divējāda izturēšanās, kas veidojas no organisko molekulu kompleksiem un var plūst kā šķidrumi, bet tomēr saglabā cietu kristālisko struktūru.
Tā kā vielas fāzes nosaka tās molekulārā konfigurācija, daudzas fizikālās īpašības krasi mainās, vielai pārejot no viena stāvokļa uz otru. Iepriekšminētajā pētījumā zinātnieki normālos atmosfēras apstākļos izmērīja vairākas ūdens kontroles īpašības no 0 līdz 100 ℃ (lai ūdens būtu šķidrs). Negaidīti viņi atrada dramatiskas atšķirības tādās īpašībās kā ūdens virsmas spraigums un refrakcijas indekss (indekss, kas atspoguļo gaismas pārvietošanos pa ūdeni) temperatūrā aptuveni 50 ℃.
Īpaša struktūra
Kā tas ir iespējams? Ūdens molekulas H₂O struktūra ir ļoti interesanta, un to var attēlot kā sava veida bultiņu, kur augšpusē atrodas skābekļa atoms, un no sāniem to "pavada" divi ūdeņraža atomi. Elektroni molekulās mēdz sadalīties asimetriski, tāpēc molekula saņem negatīvu lādiņu no skābekļa puses, salīdzinot ar ūdeņraža pusi. Šī vienkāršā strukturālā iezīme noved pie tā, ka ūdens molekulas sāk noteiktā veidā mijiedarboties, to pretējie lādiņi piesaista, veidojot tā saukto ūdeņraža saiti.
Reklāmas video:
Tas ļauj ūdenim daudzos gadījumos izturēties savādāk, nekā novērojuši citi vienkārši šķidrumi. Piemēram, atšķirībā no lielākās daļas citu vielu, noteikta ūdens masa cietā stāvoklī (ledus formā) aizņem vairāk vietas nekā šķidrā stāvoklī, jo tā molekulas veido noteiktu regulāru struktūru. Cits piemērs ir šķidrā ūdens virsmas spraigums, kas ir divreiz lielāks nekā citiem nepolāriem, vienkāršākiem šķidrumiem.
Ūdens ir diezgan vienkāršs, bet ne pārāk daudz. Tas nozīmē, ka vienīgais ūdens papildu fāzes, kas ir izpaudies, izskaidrojums ir tāds, ka tas izturas mazliet kā šķidrie kristāli. Ūdeņraža saites starp molekulām uztur noteiktu kārtību zemās temperatūrās, bet tās var nonākt arī citā, brīvākā stāvoklī, pieaugot temperatūrai. Tas izskaidro ievērojamās novirzes, kuras zinātnieki novērojuši pētījumu laikā.
Ja tas tiks apstiprināts, autoru secinājumiem var būt daudz pielietojumu. Piemēram, ja izmaiņas vidē (teiksim, temperatūra) rada izmaiņas vielas fizikālajās īpašībās, teorētiski to var izmantot, lai izveidotu sensoru aprīkojumu. Vai arī jūs varat tam tuvināties fundamentālāk - bioloģiskās sistēmas galvenokārt sastāv no ūdens. Organisko molekulu (piemēram, olbaltumvielu) savstarpējā mijiedarbība, iespējams, ir atkarīga no tā, kā ūdens molekulas veido šķidro fāzi. Ja mēs saprotam, kā ūdens molekulas izturas vidēji dažādās temperatūrās, mēs varam noskaidrot, kā tās mijiedarbojas bioloģiskajās sistēmās.
Šis atklājums ir lieliska iespēja teorētiķiem un eksperimentētājiem, kā arī lielisks piemērs tam, ka pat vispazīstamākā viela var slēpt sevī noslēpumus.