En af de mest basale ting, som vi undervises i skolevidenskabskurser, er, at vand kan eksistere i tre forskellige tilstande, enten som fast is, flydende vand eller dampgas. Men et internationalt team af forskere har for nylig fundet tegn på, at flydende vand faktisk kan komme i to forskellige stater.
I en eksperimentel artikel, der blev offentliggjort i International Journal of Nanotechnology, blev forskerne overrasket over, at et antal fysiske egenskaber ved vand ændrer deres opførsel mellem 50 ℃ og 60 ℃. Dette tegn på en potentiel ændring til en anden flydende tilstand kunne udløse en opvarmet diskussion i det videnskabelige samfund. Og hvis det bekræftes, kan det have konsekvenser for en række områder, herunder nanoteknologi og biologi.
Stater af stof, også kaldet ”faser”, er et nøglekoncept i studiet af systemer fremstillet af atomer og molekyler. Groft sagt kan et system dannet af mange molekyler arrangeres i et vist antal konfigurationer afhængigt af dets samlede energi. Ved højere temperaturer (og derfor højere energier) har molekylerne mere mulige konfigurationer, og de er derfor mere uorganiserede og kan bevæge sig relativt frit (gasfasen). Ved lavere temperaturer har molekylerne et mere begrænset antal konfigurationer og danner således en mere ordnet fase (en væske). Hvis temperaturen falder yderligere, arrangerer de sig i en meget specifik konfiguration og producerer et fast stof.
Dette billede er almindeligt for relativt enkle molekyler som kuldioxid eller methan, der har tre klare, forskellige tilstande (væske, fast stof og gas). Men for mere komplekse molekyler er der et større antal mulige konfigurationer, og dette giver anledning til flere faser. En smuk illustration af dette er den rige opførsel af flydende krystaller, der er dannet af komplekse organiske molekyler og kan flyde som væsker, men stadig har en fastlignende krystallinsk struktur
Fordi stoffets fase bestemmes af, hvordan dets molekyler er konfigureret, vil mange fysiske egenskaber ved dette stof ændre sig pludseligt, når det går fra en tilstand til en anden. I det nylige dokument, målte forskerne adskillige fysiske egenskaber ved vand ved temperaturer mellem 0 100 og 100 ℃ under normale atmosfæriske forhold (hvilket betyder, at vandet var en væske). Overraskende fandt de et knæk i egenskaber som vandets overfladespænding og dets brydningsindeks (et mål for, hvordan lys bevæger sig gennem det) på omkring 50 ℃.
Hvordan kan dette være? Strukturen af et vandmolekyle, H2O, er meget interessant og kan afbildes som en slags pilspids, hvor de to hydrogenatomer flankerer oxygenatomet øverst. Elektronerne i molekylet har en tendens til at blive distribueret på en ret asymmetrisk måde, hvilket gør iltsiden negativt ladet i forhold til hydrogensiden. Dette enkle strukturelle træk fører til en slags vekselvirkning mellem vandmolekyler kendt som hydrogenbinding, hvor de modsatte ladninger tiltrækker hinanden.
Dette giver vandegenskaber, der i mange tilfælde bryder de tendenser, der er observeret for andre enkle væsker. I modsætning til de fleste andre stoffer optager for eksempel en fast masse vand mere plads som et fast stof (is) end som en (væske) på grund af den måde, det molekyler danner en bestemt regelmæssig struktur. Et andet eksempel er overfladespænding af flydende vand, der er omtrent dobbelt så meget som andre ikke-polære, enklere væsker.
Vand er enkelt nok, men ikke for simpelt. Dette betyder, at en mulighed for at forklare den tilsyneladende ekstra fase af vand er, at den opfører sig lidt som en flydende krystal. Hydrogenbindingerne mellem molekylerne holder en vis orden ved lave temperaturer, men kan til sidst tage en anden, mindre ordnet væskefase ved højere temperaturer. Dette kan forklare de kinks, som forskerne observerede i deres data.
Hvis bekræftet, kan forfatterens fund have mange anvendelser. For eksempel, hvis ændringer i miljøet (såsom temperatur) medfører ændringer i et stofs fysiske egenskaber, kan dette potentielt bruges til at registrere applikationer. Måske mere fundamentalt er biologiske systemer for det meste lavet af vand. Hvordan biologiske molekyler (såsom proteiner) interagerer med hinanden, afhænger sandsynligvis af den specifikke måde, hvorpå vandmolekyler arrangerer at danne en flydende fase. At forstå, hvordan vandmolekyler i gennemsnit arrangerer sig ved forskellige temperaturer, kan kaste lys over virkningen af, hvordan de interagerer i biologiske systemer.
Opdagelsen er en spændende mulighed for teoretikere og eksperimentører, og et smukt eksempel på, hvordan selv det mest kendte stof stadig har hemmeligheder gemt indeni.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.
