Jedna zo základných vecí, ktoré sa hodinách fyziky v škole naučíme je, že voda môže existovať v troch skupenstvách: pevný ľad, kvapalná voda, alebo plynová para. Medzinárodný tím vedcov ale nedávno našiel náznaky, že kvapalná voda môže mať dve rozličné skupenstvá.
Autorov experimentálnej štúdie zverejnenej v žurnále International Journal of Nanotechnology prekvapilo, že niekoľko fyzikálnych vlastností vody mení svoj správanie medzi 50 a 60 stupňami Celzia.
Náznak prípadnej zmeny na druhé kvapalné skupenstvo môže vo vedeckej komunite naštartovať vášnivú diskusiu. Ak sa potvrdí, môže mať dôsledky pre viacero oblastí vrátane nanotechnológií a biológie.
Fázy
Skupenstvá, tiež nazývané fázy, sú kľúčovým konceptom pri skúmaní systémov vytvorených z atómov a molekúl. Zjednodušene povedané, systém tvorený množstvom molekúl sa dá usporiadať určitým množstvom zoskupení na základe jeho celkovej energie.
Pri vyšších teplotách (a teda vyšších energiách) majú molekuly viacero možných zoskupení a sú tak menej organizované a môžu sa relatívne slobodne pohybovať (plynné skupenstvo).
Pri nízkych teplotách majú molekuly obmedzené množstvo usporiadaní a vytvárajú organizovanejšie skupenstvo (kvapalinu). Ak teplota klesne ešte viac, uložia sa do veľmi špecifického usporiadania a vytvoria pevné teleso.
Viacero usporiadaní
Takto to zvyčajne funguje pri relativne jednoduchých molekulách ako oxid uhličitý alebo metán, ktoré majú tri jasne rozličné skupenstvá (kvapalné, pevné a plynné). Zložitejšie molekuly ale majú väčšie množstvo možných usporiadaní, z čoho môže vniknúť viacero fáz.
Pekným príkladom je správanie kvapalných kryštálov, ktoré tvoria zložité organické molekuly a môžu tiecť ako kvapaliny, ale stále mať pevnú kryštalickú štruktúru.
Keďže fázu látky určuje usporiadanie molekúl, viacero fyzikálnych vlastností látky sa náhle zmení, keď látka prejde z jedného skupenstva do druhého.
V nedávnej štúdii vedci merali viaceré vlastnosti vody pri teplotách medzi nula a sto stupňoch Celzia pri normálnych atmosferických podmienkach (znamená to, že voda bola kvapalina).
Našli prekvapivú odchylku vo vlastnostiach, ako sú povrchové napätie vody alebo jej index lomu (ako cez ňu prechádza svetlo) pri teplote okolo 50 stupňov.
Špeciálna štruktúra
Ako je to možné? Štruktúra molekuly vody (H2O) je veľmi zaujímavá a dá sa predstaviť ako hrot šípu s dvoma atómami vodíka po boku atómu kyslíka navrchu.
Elektróny molekuly zvyknú byť nesúmerne usporiadané, čím dávajú kyslíkovej strane zápornejší náboj v porovnaný so stranou vodíka. Táto jednoduchá štrukturálna vlastnosť vedia k určitej interakcii molekúl vody známej ako vodíkové väzby, kde sa opačné náboje vzájomne priťahujú.
Vodíkové väzby. (zdroj: WIKIMEDIA/CC)Voda tým získava vlastnosti, ktoré väčšinou neladia s pozorovaniami pri iných jednoduchých kvapalinách. Napríklad na rozdiel od iných látok, určitá hmotnosť vody zaberá viac miesta v pevnom skupenstve (ľad) ako v kvapalnom, pretože molekuly vytvárajú špecifickú pravidelnú štruktúru.
Ďalším príkladom je povrchové napätie vody, ktoré je približne dvojnásbné oproti iným nepolárnym a jednoduchším kvapalinám.
Voda je síce jednoduchá, ale nie príliš. Znamená to, že jedným z vysvetlení prípadnej novej fáze vody je, že sa správa ako kvapalný kryštál.
Vodíkové väzby medzi molekulami si udržiavajú nejaký poriadok pri nízkych teplotách, ale môžu prípadne prejsť do druhej, menej usporiadanej kvapalnej fáze pri vyšších teplotách. Vysvetľovalo by to výstrednosti, ktoré vedci vo svojich dátach pozorovali.
Krásny príklad
Ak sa objavy potvrdia, môžu mať množstvo využití. Napríklad ak zmeny v prostredí (teplota) spôsobujú zmeny fyzikálnych vlastností látky, dalo by sa to využiť pre snímacie aplikácie. Možno dokonca ešte zásadnejšie, keďže biologické systémy tvorí prevažne voda.
Vzájomné pôsobenie biologických molekúl (napríklad proteínov) pravdepodobne závisí od konkrétneho spôsobu, ktorým sa molekuly vody usporiadajú a vytvoria kvapalnú fázu. Pochopenie priemerného usporiadania vodných molekúl pri rôznych teplotách môže objasniť, ako pôsobia v biologických systémoch.
Objav je vzrušujúca možnosť pre teroretikov aj experimentátorv a krásny príklad, ako aj najznámejšia látka stále skrýva tajomstvá.
Tento text pôvodne vyšiel na webe The Conversation, originál si môžete prečítať po kliknutí na tento odkaz.
Autor: Rodrigo Ledesma Aguilar/The Conversation
