En av de mest grundläggande sakerna vi lärs ut i skolans naturvetenskapsklasser är att vatten kan finnas i tre olika tillstånd, antingen som fast is, flytande vatten, eller ånggas. Men ett internationellt team av forskare har nyligen hittat tecken på att flytande vatten faktiskt kan komma i två olika stater.

Att skriva i ett experimentellt papper, publiceras i International Journal of Nanotechnology , forskarna blev förvånade över att hitta ett antal fysiska egenskaper hos vatten förändrar deras beteende mellan 50 ℃ och 60 ℃. Detta tecken på en potentiell förändring till ett andra flytande tillstånd kan väcka en het diskussion i det vetenskapliga samfundet. Och, om det bekräftas, det kan få konsekvenser för en rad områden, inklusive nanoteknik och biologi.

Materiens tillstånd, även kallad "faser", är ett nyckelbegrepp i studiet av system gjorda av atomer och molekyler. På ett ungefär, ett system bildat av många molekyler kan ordnas i ett visst antal konfigurationer beroende på dess totala energi. Vid högre temperaturer (och därför högre energier), Molekylerna har fler möjliga konfigurationer och är därför mer oorganiserade och kan röra sig relativt fritt (gasfasen). Vid lägre temperaturer, molekylerna har ett mer begränsat antal konfigurationer och bildar därför en mer ordnad fas (en vätska). Om temperaturen sjunker ytterligare, de arrangerar sig själva i en mycket specifik konfiguration, producerar ett fast ämne.

Denna bild är vanlig för relativt enkla molekyler som koldioxid eller metan, som har tre tydliga, olika tillstånd (vätska, fast och gas). Men för mer komplexa molekyler, det finns ett större antal möjliga konfigurationer och detta ger upphov till fler faser. En vacker illustration av detta är flytande kristallers rika beteende, som bildas av komplexa organiska molekyler och kan flyta som vätskor, men har fortfarande en fast-liknande kristallin struktur

Eftersom fasen av ett ämne bestäms av hur dess molekyler är konfigurerade, många fysiska egenskaper hos det ämnet kommer att förändras abrupt när det går från ett tillstånd till ett annat. I den senaste tidningen, forskarna mätte flera tydliga fysiska egenskaper hos vatten vid temperaturer mellan 0 ℃ och 100 ℃ under normala atmosfäriska förhållanden (vilket betyder att vattnet var en vätska). Förvånande, de fann en kink i egenskaper som vattnets ytspänning och dess brytningsindex (ett mått på hur ljus färdas genom det) vid cirka 50 ℃.

Särskild struktur

Hur kan det vara såhär? Strukturen av en vattenmolekyl, H₂O, är mycket intressant och kan avbildas som en sorts pilspets, med de två väteatomerna som flankerar syreatomen i toppen. Elektronerna i molekylen tenderar att fördelas på ett ganska asymmetriskt sätt, vilket gör syresidan negativt laddad i förhållande till vätesidan. Denna enkla strukturella egenskap leder till en slags interaktion mellan vattenmolekyler som kallas vätebindning, där de motsatta laddningarna attraherar varandra.

Detta ger vattenegenskaper som, i många fall, bryta de trender som observerats för andra enkla vätskor. Till exempel, till skillnad från de flesta andra ämnen, en fast massa vatten tar upp mer utrymme som ett fast ämne (is) än som en (vätska) på grund av hur det molekyler bildar en specifik regelbunden struktur. Ett annat exempel är ytspänningen hos flytande vatten, vilket är ungefär dubbelt så mycket som andra icke-polära, enklare, vätskor.

Vatten är enkelt nog, men inte för enkelt. Detta betyder att en möjlighet att förklara den skenbara extra fasen av vatten är att det beter sig lite som en flytande kristall. Vätebindningarna mellan molekyler håller viss ordning vid låga temperaturer, men till slut kan det ta en sekund, mindre ordnad flytande fas vid högre temperaturer. Detta kan förklara de kinks som observerades av forskarna i deras data.

Om det bekräftas, författarnas resultat kan ha många tillämpningar. Till exempel, om förändringar i miljön (som temperatur) orsakar förändringar i ett ämnes fysiska egenskaper, då kan detta potentiellt användas för avkänningsapplikationer. Kanske mer fundamentalt, biologiska system består till största delen av vatten. Hur biologiska molekyler (som proteiner) interagerar med varandra beror sannolikt på det specifika sätt på vilket vattenmolekyler arrangerar sig för att bilda en flytande fas. Att förstå hur vattenmolekyler ordnar sig i genomsnitt vid olika temperaturer kan belysa hur de interagerar i biologiska system.

Upptäckten är en spännande möjlighet för teoretiker och experimentalister, och ett vackert exempel på hur även det mest välbekanta ämnet fortfarande har hemligheter gömda inom sig.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.