Vienas iš pagrindinių dalykų, kuriuos išmokstame gamtos mokslų pamokose mokykloje, yra tai, kad vanduo gali būti trijų skirtingų būsenų: kieto ledo, skysto vandens ar dujinių garų. Tačiau neseniai tarptautinė mokslininkų komanda rado požymių, kad skystas vanduo iš tikrųjų gali egzistuoti dviejose skirtingose valstybėse.
Vykdydami mokslinius tyrimus - rezultatai vėliau buvo paskelbti „International Journal of Nanotechnology“- mokslininkai netikėtai atrado, kad vandenyje, kurio temperatūra yra 50–60 ℃, keičiasi daugybė savybių. Šis galimo antros skysto vandens būvio ženklas sukėlė karštas diskusijas mokslo sluoksniuose. Jei tai pasitvirtins, atradimas bus pritaikytas daugelyje sričių. Jei tai pasitvirtins, atradimas bus pritaikytas daugelyje sričių, įskaitant nanotechnologijas ir biologiją.
Agregatinės būsenos, kurios dar vadinamos „fazėmis“, yra pagrindinė atomų ir molekulių sistemų teorijos samprata. Apytiksliai tariant, sistema, susidedanti iš daugybės molekulių, gali būti organizuota tam tikro konfigūracijų skaičiaus forma, atsižvelgiant į jos bendrą energijos kiekį. Esant aukštai temperatūrai (taigi ir esant aukštesniam energijos lygiui), molekulėms yra prieinama daugiau konfigūracijų, tai yra, jos yra mažiau standžiai organizuotos ir juda gana laisvai (dujų fazė). Žemesnėje temperatūroje molekulės turi mažiau konfigūracijų ir yra labiau organizuotos (skystos) fazės. Jei temperatūra nukris dar žemiau, jie įgis vieną apibrėžtą konfigūraciją ir sudarys kietą medžiagą.
Tai yra bendra santykinai paprastų molekulių, tokių kaip anglies dioksidas ar metanas, padėtis, turinti tris skirtingas būsenas (skystas, kietas ir dujas). Bet sudėtingesnėse molekulėse yra didesnis galimų konfigūracijų skaičius, o tai reiškia, kad fazių skaičius didėja. Puiki to iliustracija yra dvejopas skystųjų kristalų elgesys, susidarantis iš organinių molekulių kompleksų ir galintis tekėti kaip skystis, tačiau vis tiek išlaikantis kietą kristalinę struktūrą.
Kadangi medžiagos fazes lemia jos molekulinė konfigūracija, daugelis fizinių savybių dramatiškai pasikeičia, kai medžiaga pereina iš vienos būsenos į kitą. Minėto tyrimo metu mokslininkai normaliomis atmosferos sąlygomis išmatavo keletą vandens kontrolinių savybių nuo 0 iki 100 ℃ (kad vanduo būtų skystas). Netikėtai jie rado dramatiškų savybių, tokių kaip vandens paviršiaus įtempimas ir lūžio rodiklis (rodiklis, atspindintis šviesos sklidimą vandeniu), skirtumus esant maždaug 50 ℃.
Speciali struktūra
Kaip tai įmanoma? Vandens molekulės H₂O struktūra yra labai įdomi ir gali būti pavaizduota kaip tam tikra rodyklė, kur deguonies atomas yra viršuje, o du vandenilio atomai jį „lydi“iš šonų. Molekulose esantys elektronai yra linkę pasiskirstyti asimetriškai, todėl molekulė gauna neigiamą krūvį iš deguonies pusės, palyginti su vandenilio puse. Šis paprastas struktūrinis bruožas lemia tai, kad vandens molekulės pradeda tam tikru būdu sąveikauti, jų priešingi krūviai traukia, formuodami vadinamąjį vandenilio ryšį.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tai leidžia vandeniui daugeliu atvejų elgtis kitaip, nei pastebėjo kiti paprasti skysčiai. Pavyzdžiui, skirtingai nuo daugumos kitų medžiagų, tam tikra vandens masė kietoje būsenoje (ledo pavidalu) užima daugiau vietos nei skystoje, dėl to, kad jos molekulės formuoja specifinę taisyklingą struktūrą. Kitas pavyzdys yra skysčio vandens paviršiaus įtempimas, kuris yra dvigubai didesnis už kitų nepolinių, paprastesnių skysčių.
Vanduo yra gana paprastas, bet ne pribloškiantis. Tai reiškia, kad vienintelis papildomos vandens fazės paaiškinimas yra tas, kad jis elgiasi šiek tiek kaip skystieji kristalai. Vandenilio ryšiai tarp molekulių palaiko tam tikrą tvarką esant žemai temperatūrai, tačiau didėjant temperatūrai jie taip pat gali pasiekti kitą, labiau laisvą būseną. Tai paaiškina reikšmingus nukrypimus, kuriuos mokslininkai pastebėjo tyrimų metu.
Jei viskas pasitvirtins, autorių išvadose galima rasti daugybę naudojimo būdų. Pavyzdžiui, jei pasikeitus aplinkai (tarkime, temperatūrai) atsiranda fizikinių medžiagos savybių pokyčių, teoriškai tai gali būti naudojama jutimo įrangai sukurti. Arba galite prieiti prie jo iš esmės - biologinės sistemos susideda daugiausia iš vandens. Organinių molekulių (pvz., Baltymų) sąveika tarpusavyje tikriausiai priklauso nuo to, kaip vandens molekulės sudaro skystąją fazę. Jei suprantate, kaip vandens molekulės elgiasi vidutiniškai esant skirtingai temperatūrai, galite paaiškinti, kaip jos sąveikauja biologinėse sistemose.
Šis atradimas yra puiki galimybė teoretikams ir eksperimentuotojams, taip pat puikus pavyzdys to, kad net ir labiausiai pažįstama medžiaga gali slėpti paslaptis savyje.