Forskere har opdaget en ny tilstand af vand

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

En af de grundlæggende ting, vi lærer i naturfagstimerne i skolen, er, at vand kan eksistere i tre forskellige tilstande: fast is, flydende vand eller gasformig damp. Men for nylig har et internationalt hold af forskere fundet tegn på, at flydende vand faktisk kan eksistere i to forskellige stater.

Mens de udførte forskningsarbejde - resultaterne blev senere offentliggjort i International Journal of Nanotechnology - opdagede videnskabsmænd uventet, at en række egenskaber ændrer sig i vand med en temperatur på 50 til 60 ℃. Dette tegn på den mulige eksistens af en anden flydende tilstand af vand har udløst en heftig debat i videnskabelige kredse. Hvis det bekræftes, vil opdagelsen finde anvendelser på mange områder, herunder nanoteknologi og biologi.

Aggregerede tilstande, som også kaldes "faser", er nøglebegrebet i teorien om systemer af atomer og molekyler. Groft sagt kan et system bestående af mange molekyler organiseres i form af et vist antal konfigurationer afhængig af dets samlede energimængde. Ved høje temperaturer (og derfor ved et højere energiniveau) er et større antal konfigurationer tilgængelige for molekyler, det vil sige, at de er mindre stift organiseret og bevæger sig relativt frit (gasfase). Ved lavere temperaturer har molekyler færre konfigurationer og er i en mere organiseret (flydende) fase. Hvis temperaturen falder endnu lavere, vil de antage én bestemt konfiguration og danne et fast stof.

Dette er den generelle tilstand for relativt simple molekyler som kuldioxid eller metan, som har tre forskellige tilstande (flydende, fast og gas). Men mere komplekse molekyler har et større antal mulige konfigurationer, hvilket betyder, at antallet af faser stiger. En glimrende illustration af dette er den dobbelte opførsel af flydende krystaller, som er dannet af komplekser af organiske molekyler og kan flyde som væsker, men stadig bevare en fast krystallinsk struktur.

Da faserne af et stof er bestemt af dets molekylære konfiguration, ændrer mange fysiske egenskaber sig dramatisk, når et stof går fra en tilstand til en anden. I den førnævnte undersøgelse målte forskerne adskillige kontrolegenskaber for vand mellem 0 og 100 ℃ under normale atmosfæriske forhold (så vandet er flydende). Uventet fandt de dramatiske variationer i egenskaber såsom vands overfladespænding og brydningsindekset (det indeks, der afspejler, hvordan lys bevæger sig gennem vand) ved en temperatur på omkring 50 ℃.

Særlig struktur

Hvordan er det muligt? Strukturen af vandmolekylet, H₂O, er meget interessant og kan afbildes som en slags pil, hvor iltatomet er placeret i toppen, og to brintatomer "ledsagerer" det fra flankerne. Elektroner i molekyler har en tendens til at være fordelt asymmetrisk, hvorfor molekylet modtager en negativ ladning fra iltsiden sammenlignet med brintsiden. Denne enkle strukturelle funktion fører til det faktum, at vandmolekyler begynder at interagere med hinanden på en bestemt måde, deres modsatte ladninger tiltrækker og danner en såkaldt brintbinding.

Dette gør det muligt for vand i mange tilfælde at opføre sig anderledes end hvad andre simple væsker har observeret. For eksempel, i modsætning til de fleste andre stoffer, optager en vis masse vand mere plads i fast tilstand (i form af is) end i flydende tilstand, på grund af det faktum, at dens molekyler danner en bestemt regulær struktur. Et andet eksempel er overfladespændingen af flydende vand, som er det dobbelte af andre ikke-polære, enklere væsker.

Vandet er ret simpelt, men ikke overvældende. Det betyder, at den eneste forklaring på den ekstra fase af vand, der har manifesteret sig, er, at det opfører sig lidt som en flydende krystal. Hydrogenbindinger mellem molekyler opretholder en vis orden ved lave temperaturer, men de kan også komme til en anden, mere fri tilstand med stigende temperatur. Dette forklarer de betydelige afvigelser, som videnskabsmænd observerede under forskning.

Hvis dette bekræftes, kan forfatternes konklusioner have mange anvendelsesmuligheder. Hvis f.eks. ændringer i miljøet (f.eks. temperatur) medfører ændringer i et stofs fysiske egenskaber, kan dette teoretisk bruges til at skabe lydudstyr. Eller du kan nærme dig det mere fundamentalt - biologiske systemer består hovedsageligt af vand. Hvordan organiske molekyler (såsom proteiner) interagerer med hinanden, afhænger sandsynligvis af, hvordan vandmolekylerne danner væskefasen. Hvis du forstår, hvordan vandmolekyler i gennemsnit opfører sig ved forskellige temperaturer, kan du afklare, hvordan de interagerer i biologiske systemer.

Denne opdagelse er en fantastisk mulighed for teoretikere og eksperimenter, såvel som et glimrende eksempel på, at selv det mest velkendte stof kan skjule hemmeligheder i sig selv.

Rodrigo Ledesma Aguilar