Een van de fundamentele dingen die we leren tijdens de natuurwetenschappelijke lessen op school, is dat water in drie verschillende staten kan voorkomen: vast ijs, vloeibaar water of gasvormige damp. Maar onlangs heeft een internationaal team van wetenschappers tekenen gevonden dat vloeibaar water daadwerkelijk in twee verschillende staten kan voorkomen.
Tijdens het uitvoeren van onderzoekswerk - de resultaten werden later gepubliceerd in het International Journal of Nanotechnology - ontdekten wetenschappers onverwachts dat een aantal eigenschappen verandert in water met een temperatuur van 50 tot 60 ℃. Dit teken van het mogelijke bestaan van een tweede vloeibare toestand van water heeft in wetenschappelijke kringen tot een verhit debat geleid. Als dit wordt bevestigd, zal de ontdekking op veel gebieden toepassing vinden. Als dit wordt bevestigd, vindt de ontdekking toepassingen op vele gebieden, waaronder nanotechnologie en biologie.
Geaggregeerde toestanden, ook wel "fasen" genoemd, vormen het sleutelconcept van de theorie van systemen van atomen en moleculen. Globaal genomen kan een systeem dat uit veel moleculen bestaat, worden georganiseerd in de vorm van een bepaald aantal configuraties, afhankelijk van de totale hoeveelheid energie. Bij hoge temperaturen (en dus bij een hoger energieniveau) staan moleculen een groter aantal configuraties ter beschikking, dat wil zeggen dat ze minder strak georganiseerd zijn en relatief vrij bewegen (gasfase). Bij lagere temperaturen hebben moleculen minder configuraties en bevinden ze zich in een meer georganiseerde (vloeibare) fase. Als de temperatuur nog lager zakt, nemen ze een bepaalde configuratie aan en vormen ze een vaste stof.
Dit is de algemene stand van zaken voor relatief eenvoudige moleculen zoals kooldioxide of methaan, die drie verschillende toestanden hebben (vloeibaar, vast en gas). Maar complexere moleculen hebben een groter aantal mogelijke configuraties, wat betekent dat het aantal fasen toeneemt. Een uitstekende illustratie hiervan is het tweeledige gedrag van vloeibare kristallen, die worden gevormd uit complexen van organische moleculen en kunnen stromen als vloeistoffen, maar toch een vaste kristallijne structuur behouden.
Omdat de fasen van een stof worden bepaald door zijn moleculaire configuratie, veranderen veel fysische eigenschappen dramatisch wanneer een stof van de ene toestand naar de andere gaat. In de eerder genoemde studie maten de wetenschappers verschillende controle-eigenschappen van water tussen 0 en 100 ℃ onder normale atmosferische omstandigheden (zodat water vloeibaar is). Onverwacht vonden ze dramatische variaties in eigenschappen zoals de oppervlaktespanning van water en de brekingsindex (de index die weergeeft hoe licht door water reist) bij temperaturen rond de 50 ℃.
Speciale structuur
Hoe is dit mogelijk? De structuur van het watermolecuul, H₂O, is erg interessant en kan worden weergegeven als een soort pijl, waarbij het zuurstofatoom zich bovenaan bevindt en twee waterstofatomen het vanaf de flanken "begeleiden". Elektronen in moleculen hebben de neiging asymmetrisch verdeeld te zijn, daarom ontvangt het molecuul een negatieve lading van de zuurstofzijde in vergelijking met de waterstofzijde. Dit eenvoudige structurele kenmerk leidt ertoe dat watermoleculen op een bepaalde manier met elkaar in wisselwerking treden, hun tegengestelde ladingen aantrekken en de zogenaamde waterstofbinding vormen.
Promotie video:
Hierdoor kan water zich in veel gevallen anders gedragen dan andere eenvoudige vloeistoffen hebben waargenomen. In tegenstelling tot de meeste andere stoffen neemt bijvoorbeeld een bepaalde massa water in vaste toestand (in de vorm van ijs) meer ruimte in dan in vloeibare toestand, doordat de moleculen een specifieke regelmatige structuur vormen. Een ander voorbeeld is de oppervlaktespanning van vloeibaar water, die twee keer zo hoog is als die van andere niet-polaire, eenvoudigere vloeistoffen.
Het water is vrij eenvoudig, maar niet te veel. Dit betekent dat de enige verklaring voor de extra fase van water die zich heeft gemanifesteerd, is dat het zich een beetje gedraagt als een vloeibaar kristal. Waterstofbindingen tussen moleculen behouden een bepaalde orde bij lage temperaturen, maar ze kunnen ook in een andere, vrijere toestand komen bij toenemende temperatuur. Dit verklaart de significante afwijkingen die wetenschappers tijdens onderzoek hebben waargenomen.
Als dit wordt bevestigd, kunnen de conclusies van de auteurs vele toepassingen hebben. Als veranderingen in de omgeving (bijvoorbeeld temperatuur) veranderingen in de fysische eigenschappen van een stof met zich meebrengen, kan dit theoretisch worden gebruikt om meetapparatuur te maken. Of je kunt het fundamenteler benaderen - biologische systemen bestaan voornamelijk uit water. Hoe organische moleculen (zoals eiwitten) met elkaar omgaan, hangt waarschijnlijk af van hoe de watermoleculen de vloeistoffase vormen. Als je begrijpt hoe watermoleculen zich gemiddeld gedragen bij verschillende temperaturen, kun je ophelderen hoe ze op elkaar inwerken in biologische systemen.
Deze ontdekking is een geweldige kans voor theoretici en onderzoekers, maar ook een uitstekend voorbeeld van het feit dat zelfs de meest bekende stof geheimen in zichzelf kan verbergen.
