Tokijo universiteto mokslininkai išsamiai ištyrė vandens kaip skysčio struktūrą ir nustatė, kad jo savybės priklauso nuo dviejų fazių būsenų santykio.
Visi žino, kad vandens savybės skiriasi nuo daugumos skysčių: jis išsiplečia, kai užšąla (todėl ledas yra lengvesnis), kai susitraukia, jo klampa sumažėja ir pan. Šias iš pažiūros anomalias savybes mums mokykloje paaiškina tai, kad tarp molekulių yra vandenilio ryšių. Tačiau detalės vis dar menkai suprantamos, nors ši tema yra itin svarbi tiek chemijai, tiek fizikai. Specifinės vandens savybės taip pat naudojamos medicinoje ir technikos srityse.
Tokijo universiteto Pramonės mokslų institutas galėjo žengti į priekį, suprasdamas vandens struktūros reiškinį.
Skystos būsenos vanduo suformuoja vietinio pobūdžio tetraedrines struktūras, kurios susidaro vandenilio ryšių pagalba - tai žinoma jau seniai. Japonijos mokslininkai nustatė, kad vanduo nėra tik „netvarkingas vanduo“, kuriame plaukioja „tetraedrinio vandens“„dalelės“: sistema turi būsenos diagramą, panašią į kietąsias fazes.
Sukurtas modelis, kuriame skystas vanduo laikomas sistema, susidedančia iš dviejų fazių. Pirmasis yra netvarkinga būsena, turinti didelę sukimosi simetriją. Paprasčiau tariant, tai nėra jokio apibrėžto modelio skysčio molekulių „kryptimis“. Antroji fazė yra ne tik tetraedrinės tvarkos, bet ir termodinamiškai, esant pusiausvyros būsenai. Šių būsenų sąveika apibūdinama lambda parametru (λ), kurio fizinė prasmė yra poros ir trigubos prigimties tarpmolekulinių sąveikų santykinio stiprumo įvertinimas. Tai yra įprasta, tarp dviejų laisvų molekulių ir tarp molekulių, kurios sudaro tetraedrinę struktūrą. Atitinkamai parametro λ padidėjimas rodo sistemos tvarkos padidėjimą.
Šis modelis atrodo paprastas, tačiau jis gerai numato nenormalų vandens, kaip skysčio, elgesį.
Vienas tyrimo lyderių Johnas Russo paaiškina: "… Didėjant λ, aplink kiekvieną molekulę susidarantys tetraedriniai apvalkalai tampa energetiškai stabilesni". Tai kompensuoja energijos suvartojimą užsakant visą konstrukciją. Mokslininkai, keisdami λ, sumodeliavo fazių būsenų diagramas, kurių struktūra gali būti gana netikėta. Taigi kairėje esančiame paveiksle pavaizduota Si34 tipo vandens struktūra - jis susidaro esant neigiamam slėgiui. Be to, jo struktūra yra klatratas, ty iš tikrųjų tai yra inkliuzinis junginys: kai kurios vandens molekulės yra struktūros ertmėse, kurias suformavo kitos jo molekulės.
Vandens struktūros vaizdas fazės būsenoje Si34 (kairėje) ir fazių diagrama koordinatėmis λ / slėgis (dešinėje) / Tokijo universiteto Pramonės mokslo institutas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Atskleista priklausomybė nėra tiesinė, didžiausias poveikis vandens savybėms pasireiškia esant λ = 23,15.
Hajime Tanaka, vienas iš projekto vadovų, pažymėjo svarbų fizinės chemijos tyrimų vaidmenį.
Makroskopinių parametrų, tokių kaip klampumas, ir mikroskopinių struktūrų santykis, gautas naudojant gana paprastą modelį, iš tiesų yra svarbus pasiekimas. Praktiniu požiūriu vandens struktūros supratimas turėtų padėti sukurti efektyvius smulkius filtrus.
Antonas Bugaychukas