Одна из самых основных вещей, которым нас учат на школьных уроках естествознания, заключается в том, что вода может существовать в трех разных состояниях: в виде твердого льда, жидкой воды или парообразного газа. Но международная команда ученых недавно обнаружила признаки того, что жидкая вода может на самом деле поступать в двух разных штатах.
Написав в экспериментальной статье, опубликованной в Международном журнале нанотехнологий, исследователи были удивлены, обнаружив, что ряд физических свойств воды изменяют свое поведение между 50 60 и 60 ℃. Этот признак потенциального изменения второго жидкого состояния может вызвать горячую дискуссию в научном сообществе. И, если это подтвердится, 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, образованная из множества молекул, может быть организована в определенном количестве конфигураций в зависимости от ее полной энергии. При более высоких температурах (и, следовательно, более высоких энергиях) молекулы имеют больше возможных конфигураций и поэтому более дезорганизованы и могут перемещаться относительно свободно (газовая фаза). При более низких температурах молекулы имеют более ограниченное число конфигураций и, таким образом, образуют более упорядоченную фазу (жидкость). Если температура снижается дальше, они располагаются в очень специфической конфигурации, образуя твердое вещество.
Эта картина характерна для относительно простых молекул, таких как углекислый газ или метан, которые имеют три чистых различных состояния (жидкость, твердое тело и газ). Но для более сложных молекул существует большее количество возможных конфигураций, и это приводит к появлению большего количества фаз. Прекрасной иллюстрацией этого является богатое поведение жидких кристаллов, которые образованы сложными органическими молекулами и могут течь как жидкости, но при этом имеют твердую кристаллическую структуру
Поскольку фаза вещества определяется тем, как настроены его молекулы, многие физические свойства этого вещества резко изменяются при переходе из одного состояния в другое. В недавней статье исследователи измерили несколько характерных физических свойств воды при температуре от 0 до 100 ℃ при нормальных атмосферных условиях (то есть вода была жидкостью). Удивительно, но они обнаружили излом в свойствах, таких как поверхностное натяжение воды и ее показатель преломления (мера того, как свет проходит через нее), около 50 ℃.
Как это может быть? Структура молекулы воды, H2O, очень интересна и может быть изображена как своего рода наконечник стрелки, с двумя атомами водорода, фланкирующими атом кислорода сверху. Электроны в молекуле имеют тенденцию распределяться довольно асимметрично, что делает кислородную сторону отрицательно заряженной относительно водородной стороны. Эта простая структурная особенность приводит к своего рода взаимодействию между молекулами воды, известному как водородная связь, в которой противоположные заряды притягивают друг друга.
Это дает свойства воды, 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 (лед), чем в виде (жидкости) из-за того, как молекулы образуют определенную регулярную структуру. Другим примером является 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 возможность объяснить кажущуюся дополнительную фазу воды состоит в том, что она ведет себя немного как жидкий кристалл. Водородные связи между молекулами сохраняют некоторый порядок при низких температурах, но в конечном итоге могут занять вторую, менее упорядоченную жидкую фазу при более высоких температурах. Это может объяснить изломы, наблюдаемые исследователями в их данных.
В случае подтверждения выводы авторов могут иметь много применений. Например, если изменения в окружающей среде (например, температура) вызывают изменения в физических свойствах вещества, то это потенциально может быть использовано для сенсорных приложений. Возможно, что более фундаментально, биологические системы в основном состоят из воды. То, как биологические молекулы (такие как 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 - захватывающая возможность для теоретиков и экспериментаторов, и прекрасный пример того, как даже у самой знакомой субстанции все еще есть секреты, скрывающиеся внутри.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор. Прочитайте оригинальную статью.
