Een van de meest elementaire dingen die we in schoolwetenschapsklassen worden geleerd, is dat water in drie verschillende toestanden kan bestaan, hetzij als vast ijs, vloeibaar water of dampgas. Maar een internationaal team van wetenschappers heeft recentelijk aanwijzingen gevonden dat vloeibaar water in twee verschillende staten zou kunnen komen.
In een experimenteel artikel, gepubliceerd in het International Journal of Nanotechnology, waren de onderzoekers verbaasd dat een aantal fysische eigenschappen van water hun gedrag veranderden tussen 50 ℃ en 60 change. Dit teken van een mogelijke verandering naar een tweede vloeibare toestand kan een verhitte discussie in de wetenschappelijke gemeenschap veroorzaken. En, indien bevestigd, zou dit gevolgen kunnen hebben voor een aantal gebieden, waaronder nanotechnologie en biologie.
Materietoestanden, ook wel 'fasen' genoemd, zijn een sleutelbegrip in de studie van systemen gemaakt van atomen en moleculen. Grof gezegd kan een systeem dat uit veel moleculen is gevormd in een bepaald aantal configuraties worden gerangschikt, afhankelijk van de totale energie. Bij hogere temperaturen (en dus hogere energieën) hebben de moleculen meer mogelijke configuraties en zijn ze dus meer ongeorganiseerd en kunnen ze relatief vrij bewegen (de gasfase). Bij lagere temperaturen hebben de moleculen een beperkter aantal configuraties en vormen zo een meer geordende fase (een vloeistof). Als de temperatuur verder daalt, rangschikken ze zich in een zeer specifieke configuratie en produceren ze een vaste stof.
Dit beeld is gebruikelijk voor relatief eenvoudige moleculen zoals koolstofdioxide of methaan, die drie heldere, verschillende toestanden hebben (vloeibaar, vast en gas). Maar voor complexere moleculen is er een groter aantal mogelijke configuraties en dit leidt tot meer fasen. Een mooie illustratie hiervan is het rijke gedrag van vloeibare kristallen, die worden gevormd door complexe organische moleculen en kunnen vloeien als vloeistoffen, maar nog steeds een vaste stofachtige kristallijne structuur hebben
Omdat de fase van een stof wordt bepaald door hoe de moleculen ervan zijn geconfigureerd, zullen veel fysische eigenschappen van die stof abrupt veranderen als deze van de ene toestand naar de andere gaat. In het recente artikel hebben de onderzoekers verschillende normale fysische eigenschappen van water gemeten bij temperaturen tussen 0 between en 100 ℃ onder normale atmosferische omstandigheden (wat betekent dat het water een vloeistof was). Verrassend vonden ze een knik in eigenschappen zoals de oppervlaktespanning van het water en de brekingsindex (een maat voor hoe licht er doorheen stroomt) bij ongeveer 50 ° C.
Hoe kan dit De structuur van een watermolecule, H2O, is zeer interessant en kan worden afgebeeld als een soort pijlpunt, met de twee waterstofatomen die het zuurstofatoom bovenaan flankeren. De elektronen in het molecuul hebben de neiging om op een nogal asymmetrische manier te worden verdeeld, waardoor de zuurstofzijde negatief wordt geladen ten opzichte van de waterstofzijde. Dit eenvoudige structurele kenmerk leidt tot een soort interactie tussen watermoleculen die bekend staan als waterstofbinding, waarbij de tegenovergestelde ladingen elkaar aantrekken.
Dit geeft watereigenschappen die in veel gevallen de waargenomen trends voor andere eenvoudige vloeistoffen doorbreken. In tegenstelling tot de meeste andere stoffen neemt een vaste massa water meer ruimte in beslag als een vaste stof (ijs) dan als een (vloeistof) vanwege de manier waarop het moleculen een specifieke regelmatige structuur vormen. Een ander voorbeeld is de oppervlaktespanning van vloeibaar water, dat ongeveer twee keer zo groot is als dat van andere niet-polaire, eenvoudigere vloeistoffen.
Water is eenvoudig genoeg, maar niet te eenvoudig. Dit betekent dat een mogelijkheid om de ogenschijnlijke extra fase van water te verklaren is dat het zich een beetje als een vloeibaar kristal gedraagt. De waterstofbruggen tussen moleculen behouden enige orde bij lage temperaturen, maar kunnen uiteindelijk een tweede, minder geordende vloeibare fase bij hogere temperaturen aannemen. Dit kan de knikken verklaren die de onderzoekers in hun gegevens hebben waargenomen.
Indien bevestigd, kunnen de bevindingen van de auteurs veel toepassingen hebben. Als veranderingen in de omgeving (zoals temperatuur) bijvoorbeeld veranderingen in de fysieke eigenschappen van een stof veroorzaken, kan dit mogelijk worden gebruikt voor detectietoepassingen. Misschien meer fundamenteel, biologische systemen zijn meestal gemaakt van water. Hoe biologische moleculen (zoals eiwitten) waarschijnlijk met elkaar omgaan, hangt waarschijnlijk af van de specifieke manier waarop watermoleculen een vloeibare fase vormen. Inzicht in hoe watermoleculen zich gemiddeld bij verschillende temperaturen rangschikken, zou licht kunnen werpen op de werking van hun interactie in biologische systemen.
De ontdekking is een opwindende kans voor theoretici en experimentalisten, en een mooi voorbeeld van hoe zelfs de meest vertrouwde substantie nog geheimen heeft.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.
