Навукоўцы адкрылі новы стан вады

У школе нас вучылі, што вада можа існаваць у трох розных станах: у выглядзе цвёрдага лёду, вадкай вады або газападобнай пары.

Адна з базавых рэчаў, якія мы спазнаем на лекцыях прыродазнаўства ў школе, гэта тое, што вада можа існаваць у трох розных станах: у выглядзе цвёрдага лёду, вадкай вады або газападобнай пары. Але надоечы міжнародная група навукоўцаў выявіла прыкметы таго, што вадкая вада напраўду можа існаваць у двух розных станах, піша The Conversation (пераклад - inosmi.ru).

Праводзячы даследчую працу — вынікі былі апублікаваныя потым ў International Journal of Nanotechnology — навукоўцы нечакана выявілі, што ў вады тэмпературай ад 50 да 60℃ змяняецца шэраг уласцівасцяў. Гэтая прыкмета магчымага існавання другога вадкага стану вады распаліла гарачую дыскусію ў навуковых колах. Калі гэта пацвердзіцца, то адкрыццё знойдзе ўжыванне ў мностве абсягаў, у тым ліку нанатэхналогіі і біялогіі.

Агрэгатныя станы, якія яшчэ называюць «фазамі», — ключавы панятак вучэння аб сістэмах атамаў і малекул. Груба кажучы, сістэма, якая складаецца з мноства малекул, можа быць арганізавана ў выглядзе пэўнай колькасці канфігурацый у залежнасці ад яе агульнай колькасці энэргіі. Пры высокіх тэмпературах (а значыць, пры большым узроўні энэргіі) малекулам даступная большая колькасць канфігурацый, гэта значыць, яны менш жорстка арганізаваны і рухаюцца параўнальна вольна (газавая фаза). Пры больш нізкіх тэмпературах у малекул у распараджэнні менш канфігурацый і яны знаходзяцца ў больш арганізаванай фазе (вадкай). Калі тэмпература апусціцца яшчэ ніжэй, яны прымуць адну пэўную канфігурацыю і ўтвараюць цвёрдае цела.

Гэтая агульнае становішча рэчаў для параўнальна простых малекул, такіх як дыяксід вугляроду або метан, у якіх тры выяўна адрозныя станы (вадкасць, цвёрдае цела і газ). Але ў больш складаных малекул ёсць большая колькасць магчымых канфігурацый, а значыць, і колькасць фаз расце. Выдатная ілюстрацыя гэтага — дваістыя паводзіны вадкіх крышталяў, якія фармуюцца з комплексаў арганічных малекул і могуць цячы, як вадкасці, але захоўваюць пры гэтым цвёрдую крышталічную структуру.

Раз фазы рэчывы вызначаюцца яго малекулярнай канфігурацыяй, шмат якія фізічныя ўласцівасці кардынальна мяняюцца, калі рэчыва пераходзіць з аднаго стану ў іншы. У вышэйзгаданым даследаванні навукоўцы вымяралі некалькі кантрольных уласцівасцяў вады тэмпературай ад 0 да 100 ℃ пры нармальных атмасфэрных варунках (каб вада была вадкасцю). Нечакана яны выявілі моцныя адхіленні ў такіх уласцівасцях, як, напрыклад, павярхоўнае нацягненне вады і каэфіцыент пераламлення (паказчык, які адлюстроўвае, як святло праходзіць праз ваду) пры тэмпературы блізу 50℃.

Асаблівая структура

Як гэта магчыма? Структура малекулы вады, H₂O, вельмі цікавая і можа быць выяўленая ў выглядзе свайго кшталту стрэлкі, дзе атам кіслароду размяшчаецца ўгары, а два атамы вадароду «суправаджаюць» яго з флангаў. Электроны ў малекулах імкнуцца размеркавацца асіметрычным чынам, праз што з боку кіслароду малекула атрымлівае адмоўны ладунак у параўнанні з бокам вадароду. Гэтая простая структурная асаблівасць вядзе да таго, што малекулы вады пачынаюць пэўным чынам узаемадзейнічаць адна з адной, іх супрацьлеглыя ладункі прыцягваюцца, утвараючы так званую вадародную сувязь.

Гэта дазваляе вадзе ў шмат якіх выпадках паводзіць сябе інакш, чым гэта робяць, згодна з назіраннямі, іншыя простыя вадкасці. Напрыклад, адрозна ад большасці іншых рэчываў пэўная маса вады займае больш месца ў цвёрдым стане (у выглядзе лёду), чым у вадкім, праз тое, што яе малекулы ўтвараюць спецыфічную рэгулярную структуру. Іншы прыклад — павярхоўнае нацягненне вадкай вады, якое ў два разы большае, чым у іншых непалярных, больш простых вадкасцяў.

Вада даволі простая, але не занадта. Гэта значыць, што адзінае тлумачэнне выяўленай дадатковай фазе вады — тое, што яна паводзіцца крыху як вадкі крышталь. Вадародныя сувязі паміж малекуламі падтрымліваюць пэўны парадак пры нізкіх тэмпературах, але могуць прыходзіць і ў іншы, больш вольны стан пры павышэнні тэмпературы. Гэтым тлумачацца значныя адхіленні, назіраныя навукоўцамі падчас даследаванняў.

Калі ўсё пацвердзіцца, высновы аўтараў магу знайсці мноства ужыванняў. Напрыклад, калі змены ў навакольным асяроддзі (скажам, тэмпературы) цягнуць за сабой змены ў фізічных уласцівасцях рэчыва, тэарэтычна гэта можна выкарыстоўваць пры стварэнні апаратуры зандавання. Ці можна падысці больш фундаментальна — біялагічныя сістэмы складаюцца збольшага з вады. Тое, як арганічныя малекулы (напрыклад, пратэіны) ўзаемадзейнічаюць адна з адной, напэўна, залежыць ад таго, як малекулы вады ўтвараюць вадкую фазу. Калі зразумець, як малекулы вады ў сярэднім паводзяць сябе пры розных тэмпературах, можна растлумачыць, як яны ўзаемадзейнічаюць у біялагічных сістэмах.

Гэта адкрыццё — выдатная магчымасць для тэарэтыкаў і экспэрыментатараў, а таксама выдатны прыклад таго, што нават самае звыклае рэчыва можа хаваць у сабе сакрэты.