Новое Исследование

Ученые обнаружили, что вода может существовать в совершенно новом состоянии | Наука

Одна из основных вещей, которой нас учат на школьных уроках естествознания, - это то, что вода может существовать в трех различных состояниях: твердый лед, жидкая вода или парообразный газ. Но недавно международная группа ученых обнаружила признаки того, что жидкая вода может находиться в двух разных состояниях.

Написание экспериментальной статьи, опубликованной в Международный журнал нанотехнологий , исследователи были удивлены, обнаружив, что ряд физических свойств воды меняют свое поведение в диапазоне от 50 ℃ до 60 ℃. Этот признак потенциального перехода во второе жидкое состояние может вызвать бурную дискуссию в научном сообществе. И в случае подтверждения это может иметь последствия для ряда областей, включая нанотехнологии и биологию.



состояния вещества , также называемые фазами, являются ключевым понятием при изучении систем, состоящих из атомов и молекул. Грубо говоря, система, состоящая из множества молекул, может иметь определенное количество конфигураций в зависимости от ее полной энергии. При более высоких температурах (и, следовательно, более высоких энергиях) молекулы имеют больше возможных конфигураций, поэтому они более неорганизованы и могут относительно свободно перемещаться (газовая фаза). При более низких температурах молекулы имеют более ограниченное количество конфигураций и поэтому образуют более упорядоченную фазу (жидкость). При дальнейшем понижении температуры они образуют очень специфическую конфигурацию, образуя твердое тело.



как цвета влияют на наше настроение

Эта картина характерна для относительно простых молекул, таких как углекислый газ или метан, которые имеют три четких, разных состояния (жидкое, твердое и газообразное). Но для более сложных молекул существует большее количество возможных конфигураций, и это приводит к большему количеству фаз. Прекрасной иллюстрацией этого является богатое поведение жидких кристаллов, которые образованы сложными органическими молекулами и могут течь как жидкости, но все же имеют твердоподобная кристаллическая структура

Поскольку фаза вещества определяется тем, как сконфигурированы его молекулы, многие физические свойства этого вещества будут резко меняться при переходе из одного состояния в другое. В недавней статье исследователи измерили несколько характерных физических свойств воды при температурах от 0 ℃ до 100 ℃ в нормальных атмосферных условиях (то есть вода была жидкостью). Удивительно, но они обнаружили излом в таких свойствах, как поверхностное натяжение воды и ее показатель преломления (мера того, как свет проходит через нее) при температуре около 50 ℃.



Как это может быть? Структура молекулы воды, H2O, очень интересна и может быть изображена как своего рода острие стрелки с двумя атомами водорода, фланкирующими атом кислорода вверху. Электроны в молекуле имеют тенденцию распределяться довольно асимметрично, что делает сторону кислорода отрицательно заряженной по сравнению со стороной водорода. Эта простая структурная особенность приводит к своего рода взаимодействию между молекулами воды, известному как водородная связь, при котором противоположные заряды притягиваются друг к другу.

дар волшебной истории

Это придает воде свойства, которые во многих случаях нарушают тенденции, наблюдаемые для других простых жидкостей. Например, в отличие от большинства других веществ, фиксированная масса воды занимает больше места в виде твердого вещества (льда), чем в виде (жидкости), из-за того, как ее молекулы образуют определенную регулярную структуру. Другой пример - поверхностное натяжение жидкой воды, которое примерно вдвое больше, чем у других неполярных, более простых жидкостей.

Вода достаточно проста, но не слишком проста. Это означает, что одна из возможностей объяснения кажущейся дополнительной фазы воды заключается в том, что она ведет себя немного как жидкий кристалл. Водородные связи между молекулами поддерживают определенный порядок при низких температурах, но в конечном итоге могут образоваться вторую, менее упорядоченную жидкую фазу при более высоких температурах. Это могло объяснить изломы, наблюдаемые исследователями в своих данных.



почему 18-летние должны голосовать

В случае подтверждения выводы авторов могут найти множество приложений. Например, если изменения в окружающей среде (например, температуры) вызывают изменения физических свойств вещества, то это потенциально может быть использовано для сенсорных приложений. Возможно, что более важно, биологические системы в основном состоят из воды. То, как биологические молекулы (например, белки) взаимодействуют друг с другом, вероятно, зависит от того, каким образом молекулы воды образуют жидкую фазу. Понимание того, как молекулы воды располагаются в среднем при разных температурах, может пролить свет на то, как они взаимодействуют в биологических системах.

Это открытие - прекрасная возможность для теоретиков и экспериментаторов, а также прекрасный пример того, как даже у самого знакомого вещества все еще скрываются секреты.


Эта статья изначально была опубликована на Разговор . Прочтите оригинальная статья. Разговор


^