Forskere har oppdaget en ny vanntilstand

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

En av de grunnleggende tingene vi lærer i naturfagtimer på skolen er at vann kan eksistere i tre forskjellige tilstander: fast is, flytende vann eller gassformig damp. Men nylig har et internasjonalt team av forskere funnet tegn på at flytende vann faktisk kan eksistere i to forskjellige stater.

Mens de utførte forskningsarbeid - resultatene ble senere publisert i International Journal of Nanotechnology - oppdaget forskere uventet at en rekke egenskaper endres i vann med en temperatur på 50 til 60 ℃. Dette tegnet på den mulige eksistensen av en annen flytende vanntilstand har utløst en heftig debatt i vitenskapelige sirkler. Hvis den bekreftes, vil oppdagelsen finne anvendelser på mange områder, inkludert nanoteknologi og biologi.

Aggregerte tilstander, som også kalles "faser", er nøkkelbegrepet i teorien om systemer av atomer og molekyler. Grovt sett kan et system som består av mange molekyler organiseres i form av et visst antall konfigurasjoner avhengig av dens totale energimengde. Ved høye temperaturer (og derfor på et høyere energinivå) er et større antall konfigurasjoner tilgjengelig for molekyler, det vil si at de er mindre stivt organisert og beveger seg relativt fritt (gassfase). Ved lavere temperaturer har molekyler færre konfigurasjoner og er i en mer organisert (flytende) fase. Hvis temperaturen synker enda lavere, vil de anta én bestemt konfigurasjon og danne et fast stoff.

Dette er den generelle tilstanden for relativt enkle molekyler som karbondioksid eller metan, som har tre forskjellige tilstander (flytende, fast og gass). Men mer komplekse molekyler har et større antall mulige konfigurasjoner, noe som betyr at antallet faser øker. En utmerket illustrasjon på dette er den doble oppførselen til flytende krystaller, som er dannet fra komplekser av organiske molekyler og kan flyte som væsker, men fortsatt beholde en solid krystallinsk struktur.

Siden fasene til et stoff bestemmes av dets molekylære konfigurasjon, endres mange fysiske egenskaper dramatisk når et stoff går fra en tilstand til en annen. I den nevnte studien målte forskerne flere kontrollegenskaper til vann mellom 0 og 100 ℃ under normale atmosfæriske forhold (slik at vannet er flytende). Uventet fant de dramatiske variasjoner i egenskaper som overflatespenningen til vann og brytningsindeksen (indeksen som reflekterer hvordan lys beveger seg gjennom vann) ved en temperatur på rundt 50 ℃.

Spesiell struktur

Hvordan er dette mulig? Strukturen til vannmolekylet, H₂O, er veldig interessant og kan avbildes som en slags pil, der oksygenatomet er plassert på toppen, og to hydrogenatomer «følger» med det fra flankene. Elektroner i molekyler har en tendens til å være asymmetrisk fordelt, og det er grunnen til at molekylet får en negativ ladning fra oksygensiden sammenlignet med hydrogensiden. Denne enkle strukturelle funksjonen fører til det faktum at vannmolekyler begynner å samhandle med hverandre på en bestemt måte, deres motsatte ladninger tiltrekker seg og danner en såkalt hydrogenbinding.

Dette gjør at vann i mange tilfeller kan oppføre seg annerledes enn hva andre enkle væsker har observert. For eksempel, i motsetning til de fleste andre stoffer, tar en viss vannmasse opp mer plass i fast tilstand (i form av is) enn i flytende tilstand, på grunn av at molekylene danner en spesifikk regulær struktur. Et annet eksempel er overflatespenningen til flytende vann, som er det dobbelte av andre ikke-polare, enklere væsker.

Vannet er ganske enkelt, men ikke overveldende. Dette betyr at den eneste forklaringen på tilleggsfasen av vann som har manifestert seg er at det oppfører seg litt som en flytende krystall. Hydrogenbindinger mellom molekyler holder en viss rekkefølge ved lave temperaturer, men de kan også komme til en annen, mer fri tilstand med økende temperatur. Dette forklarer de betydelige avvikene som ble observert av forskere under forskning.

Hvis dette bekreftes, kan forfatternes konklusjoner ha mange bruksområder. For eksempel, hvis endringer i miljøet (f.eks. temperatur) medfører endringer i de fysiske egenskapene til et stoff, kan dette teoretisk brukes til å lage lydutstyr. Eller du kan nærme deg det mer fundamentalt - biologiske systemer består hovedsakelig av vann. Hvordan organiske molekyler (som proteiner) interagerer med hverandre vil sannsynligvis avhenge av hvordan vannmolekylene danner væskefasen. Hvis du forstår hvordan vannmolekyler oppfører seg i gjennomsnitt ved forskjellige temperaturer, kan du avklare hvordan de samhandler i biologiske systemer.

Denne oppdagelsen er en flott mulighet for teoretikere og eksperimenter, samt et utmerket eksempel på det faktum at selv det mest kjente stoffet kan skjule hemmeligheter i seg selv.

Rodrigo Ledesma Aguilar