Oamenii de știință au descoperit o nouă stare a apei

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Unul dintre lucrurile de bază pe care le învățăm la orele de științe de la școală este că apa poate exista în trei stări diferite: gheață solidă, apă lichidă sau vapori gazoși. Dar recent, o echipă internațională de oameni de știință a găsit semne că apa lichidă poate exista de fapt în două state diferite.

În timpul lucrărilor de cercetare - rezultatele au fost publicate ulterior în Jurnalul Internațional de Nanotehnologie - oamenii de știință au descoperit în mod neașteptat că o serie de proprietăți se modifică în apă la o temperatură de 50 până la 60 ℃. Acest semn al posibilei existențe a unei a doua stări lichide a apei a stârnit o dezbatere aprinsă în cercurile științifice. Dacă va fi confirmată, atunci descoperirea va găsi aplicații în multe domenii, inclusiv în nanotehnologie și biologie.

Stările agregate, care sunt numite și „faze”, sunt conceptul cheie al teoriei sistemelor de atomi și molecule. În linii mari, un sistem format din multe molecule poate fi organizat sub forma unui anumit număr de configurații în funcție de cantitatea sa totală de energie. La temperaturi ridicate (și, prin urmare, la un nivel de energie mai mare), un număr mai mare de configurații sunt disponibile pentru molecule, adică sunt organizate mai puțin rigid și se mișcă relativ liber (fază gazoasă). La temperaturi mai scăzute, moleculele au mai puține configurații și se află într-o fază mai organizată (lichid). Dacă temperatura scade și mai mică, ei vor lua o configurație definită și vor forma un solid.

Aceasta este starea generală a lucrurilor pentru molecule relativ simple, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul, care au trei stări distincte (lichid, solid și gaz). Dar moleculele mai complexe au un număr mai mare de configurații posibile, ceea ce înseamnă că numărul de faze crește. O ilustrare excelentă a acestui lucru este comportamentul dublu al cristalelor lichide, care sunt formate din complexe de molecule organice și pot curge ca lichidele, dar păstrează totuși o structură cristalină solidă.

Deoarece fazele unei substanțe sunt determinate de configurația sa moleculară, multe proprietăți fizice se schimbă dramatic atunci când o substanță trece dintr-o stare în alta. În studiul menționat anterior, oamenii de știință au măsurat mai multe proprietăți de control ale apei între 0 și 100 ℃ în condiții atmosferice normale (astfel încât apa să fie lichidă). În mod neașteptat, au găsit variații dramatice ale proprietăților, cum ar fi tensiunea superficială a apei și indicele de refracție (indicele care reflectă modul în care lumina trece prin apă) la o temperatură de aproximativ 50 ℃.

Structură specială

Cum este posibil acest lucru? Structura moleculei de apă, H₂O, este foarte interesantă și poate fi descrisă ca un fel de săgeată, unde atomul de oxigen este situat în partea de sus, iar doi atomi de hidrogen îl „însoțesc” din flancuri. Electronii din molecule tind să fie distribuiți asimetric, motiv pentru care molecula primește o sarcină negativă din partea de oxigen în comparație cu partea de hidrogen. Această caracteristică structurală simplă duce la faptul că moleculele de apă încep să interacționeze între ele într-un anumit mod, sarcinile lor opuse se atrag, formând o așa-numită legătură de hidrogen.

Acest lucru permite apei în multe cazuri să se comporte diferit de ceea ce au observat alte lichide simple. De exemplu, spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe, o anumită masă de apă ocupă mai mult spațiu în stare solidă (sub formă de gheață) decât în stare lichidă, datorită faptului că moleculele sale formează o structură regulată specifică. Un alt exemplu este tensiunea superficială a apei lichide, care este de două ori mai mare decât a altor lichide nepolare, mai simple.

Apa este destul de simplă, dar nu copleșitoare. Aceasta înseamnă că singura explicație pentru faza suplimentară de apă care s-a manifestat este că se comportă puțin ca un cristal lichid. Legăturile de hidrogen dintre molecule mențin o anumită ordine la temperaturi scăzute, dar pot ajunge și într-o altă stare, mai liberă, odată cu creșterea temperaturii. Aceasta explică abaterile semnificative observate de oamenii de știință în timpul cercetării.

Dacă acest lucru este confirmat, concluziile autorilor pot avea multe întrebuințări. De exemplu, dacă modificările mediului (să zicem, temperatura) implică modificări ale proprietăților fizice ale unei substanțe, teoretic aceasta poate fi folosită pentru a crea echipamente de sondare. Sau o puteți aborda mai fundamental - sistemele biologice sunt compuse în principal din apă. Modul în care moleculele organice (cum ar fi proteinele) interacționează între ele este probabil să depindă de modul în care moleculele de apă formează faza lichidă. Dacă înțelegeți cum se comportă în medie moleculele de apă la diferite temperaturi, puteți clarifica modul în care interacționează în sistemele biologice.

Această descoperire este o mare oportunitate pentru teoreticieni și experimentatori, precum și un exemplu excelent al faptului că până și cea mai familiară substanță poate ascunde secrete în sine.

Rodrigo Ledesma Aguilar