Wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben de structuur van water als vloeistof in detail bestudeerd en ontdekten dat de eigenschappen ervan afhangen van de verhouding tussen twee fasetoestanden.
Iedereen weet dat de eigenschappen van water verschillen van de meeste vloeistoffen: het zet uit als het bevriest (daarom is ijs lichter), als het samentrekt, neemt de viscositeit af, enzovoort. Deze schijnbaar afwijkende eigenschappen worden ons op school verklaard door de aanwezigheid van waterstofbruggen tussen moleculen. De details worden echter nog steeds slecht begrepen, hoewel het onderwerp buitengewoon belangrijk is voor zowel scheikunde als natuurkunde. De specifieke eigenschappen van water worden ook gebruikt in de geneeskunde en technische disciplines.
Het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokio was in staat om het fenomeen van de structuur van water beter te begrijpen.
Water in vloeibare toestand vormt tetraëdrische structuren van lokale aard, die worden gevormd met behulp van waterstofbruggen - dit is al lang bekend. Japanse wetenschappers hebben vastgesteld dat water niet alleen "ongeordend water" is waarin "deeltjes" van "tetraëdrisch water" drijven: het systeem heeft een toestandsdiagram dat lijkt op vaste fasen.
Er is een model ontwikkeld dat vloeibaar water beschouwt als een systeem bestaande uit twee fasen. De eerste is een ongeordende toestand met een hoge rotatiesymmetrie. Simpel gezegd, dit is de afwezigheid van een bepaald patroon in de "richtingen" van moleculen in een vloeistof. De tweede fase is niet alleen tetraëdrisch geordend, maar ook thermodynamisch in een niet-evenwichtstoestand. De interactie van deze toestanden wordt beschreven door de lambda-parameter (λ), waarvan de fysieke betekenis een beoordeling is van de relatieve sterkte van intermoleculaire interacties van paar- en drievoudige aard. Dat is het gebruikelijke tussen twee vrije moleculen en tussen de moleculen die een tetraëdrische structuur vormen. Dienovereenkomstig duidt een toename van de parameter λ op een toename van de ordening van het systeem.
Dit model ziet er eenvoudig uit, maar het voorspelt goed het abnormale gedrag van water als vloeistof.
Een van de leiders van de studie, John Russo, legt uit: "… Naarmate λ toeneemt, worden de tetraëdrische omhulsels die zich rond elk molecuul vormen energetisch stabieler." Dit compenseert het energieverbruik voor het bestellen van de constructie als geheel. Wetenschappers, die λ veranderen, hebben fasediagrammen gemodelleerd, waarvan de structuur vrij onverwacht kan zijn. Dus de figuur aan de linkerkant toont de structuur van water van het Si34-type - het wordt gevormd onder negatieve druk. Bovendien is de structuur clathraat, dat wil zeggen dat het in feite een insluitingsverbinding is: sommige watermoleculen bevinden zich in de holtes van de structuur die wordt gevormd door de andere moleculen.
Afbeelding van de structuur van water in de fasetoestand Si34 (links) en het fasediagram in coördinaten λ / druk (rechts) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.
Promotie video:
De onthulde afhankelijkheid is niet lineair, het maximale effect op de eigenschappen van water treedt op bij λ = 23,15.
Hajime Tanaka, een van de projectleiders, wees op de belangrijke rol van onderzoek in fysische chemie.
De relatie tussen macroscopische parameters zoals viscositeit en microscopische structuren, geproduceerd met een relatief eenvoudig model, is inderdaad een belangrijke prestatie. Vanuit praktisch oogpunt zou het begrijpen van de structuur van water de ontwikkeling van efficiënte fijnfilters moeten ondersteunen.
Anton Bugaychuk
