Ένα από τα πιο βασικά πράγματα που διδάσκονται στα μαθήματα επιστήμης του σχολείου είναι ότι το νερό μπορεί να υπάρχει σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις, είτε ως συμπαγής πάγος, είτε ως υγρό νερό είτε ως αέριο ατμού. Ωστόσο, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει βρει πρόσφατα ενδείξεις ότι το υγρό νερό μπορεί να έρθει σε δύο διαφορετικά κράτη.
Γράφοντας σε μια πειραματική εργασία, που δημοσιεύθηκε στο Διεθνές Περιοδικό Νανοτεχνολογίας, οι ερευνητές εξέπληξαν το γεγονός ότι βρήκαν αρκετές φυσικές ιδιότητες του νερού αλλάζουν τη συμπεριφορά τους μεταξύ 50 ℃ και 60 ℃. Αυτό το σημάδι μιας πιθανής αλλαγής σε μια δεύτερη υγρή κατάσταση θα μπορούσε να προκαλέσει μια έντονη συζήτηση στην επιστημονική κοινότητα. Και, αν επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της νανοτεχνολογίας και της βιολογίας.
Τα κράτη της ύλης, που ονομάζονται επίσης "φάσεις", είναι μια βασική ιδέα στη μελέτη των συστημάτων που κατασκευάζονται από άτομα και μόρια. Κατά προσέγγιση, ένα σύστημα που σχηματίζεται από πολλά μόρια μπορεί να διευθετηθεί σε ένα ορισμένο αριθμό συνθέσεων, ανάλογα με τη συνολική του ενέργεια. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες (και επομένως υψηλότερες ενέργειες), τα μόρια έχουν περισσότερες πιθανές διαμορφώσεις και έτσι είναι πιο αποδιοργανωμένες και μπορούν να κινηθούν σχετικά ελεύθερα (αέρια φάση). Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, τα μόρια έχουν έναν πιο περιορισμένο αριθμό διαμορφώσεων και έτσι σχηματίζουν μια πιο διατεταγμένη φάση (ένα υγρό). Εάν η θερμοκρασία πέσει κάτω, οργανώνονται σε μια πολύ συγκεκριμένη διαμόρφωση, δημιουργώντας ένα στερεό.
Αυτή η εικόνα είναι κοινή για σχετικά απλά μόρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα ή το μεθάνιο, τα οποία έχουν τρεις διαυγείς, διαφορετικές καταστάσεις (υγρό, στερεό και αέριο). Αλλά για πιο σύνθετα μόρια, υπάρχει μεγαλύτερος αριθμός πιθανών διαμορφώσεων και αυτό δημιουργεί περισσότερες φάσεις. Μια όμορφη εικόνα αυτού είναι η πλούσια συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων, τα οποία σχηματίζονται από σύνθετα οργανικά μόρια και μπορούν να ρέουν σαν υγρά, αλλά έχουν ακόμα μια στερεή κρυσταλλική δομή
Επειδή η φάση μιας ουσίας καθορίζεται από το πώς διαμορφώνονται τα μόρια της, πολλές φυσικές ιδιότητες αυτής της ουσίας θα αλλάξουν απότομα καθώς πηγαίνει από το ένα κράτος στο άλλο. Στην πρόσφατη εφημερίδα, οι ερευνητές μέτρησαν πολλές προειδοποιητικές φυσικές ιδιότητες του νερού σε θερμοκρασίες μεταξύ 0 ℃ και 100 ℃ υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (δηλαδή το νερό ήταν υγρό). Παραδόξως, βρήκαν μια συστροφή σε ιδιότητες όπως η επιφανειακή τάση του νερού και ο δείκτης διάθλασης (ένα μέτρο του πώς το φως ταξιδεύει μέσα από αυτό) σε περίπου 50 ℃.
Πώς μπορεί αυτό να είναι? Η δομή ενός μορίου νερού, H2O, είναι πολύ ενδιαφέρουσα και μπορεί να απεικονιστεί σαν ένα είδος άκρου βέλους, με τα δύο άτομα υδρογόνου να πλαισιώνουν το άτομο οξυγόνου στην κορυφή. Τα ηλεκτρόνια στο μόριο τείνουν να κατανέμονται με μάλλον ασύμμετρο τρόπο, καθιστώντας την πλευρά του οξυγόνου αρνητικά φορτισμένη σε σχέση με την πλευρά του υδρογόνου. Αυτό το απλό δομικό χαρακτηριστικό οδηγεί σε ένα είδος αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων ύδατος που είναι γνωστά ως δεσμός υδρογόνου, στα οποία τα αντίθετα φορτία προσελκύουν το ένα το άλλο.
Αυτό δίνει ιδιότητες νερού που, σε πολλές περιπτώσεις, σπάζουν τις τάσεις που παρατηρούνται για άλλα απλά υγρά. Για παράδειγμα, σε αντίθεση με τις περισσότερες άλλες ουσίες, μια σταθερή μάζα νερού καταλαμβάνει περισσότερο χώρο ως στερεό (πάγο) παρά ως (υγρό) εξαιτίας του τρόπου με τον οποίο τα μόρια σχηματίζουν μια συγκεκριμένη κανονική δομή. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η επιφανειακή τάση του υγρού νερού, που είναι περίπου διπλάσια από εκείνη άλλων μη πολικών, απλούστερων υγρών.
Το νερό είναι αρκετά απλό, αλλά όχι πολύ απλό. Αυτό σημαίνει ότι μια πιθανότητα εξήγησης της φαινομενικής επιπλέον φάσης του νερού είναι ότι συμπεριφέρεται λίγο σαν ένα υγρό κρύσταλλο. Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων διατηρούν κάποια τάξη σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά τελικά θα μπορούσαν να πάρουν μια δεύτερη, λιγότερο διατεταγμένη υγρή φάση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τις συσπάσεις που παρατηρούν οι ερευνητές στα δεδομένα τους.
Εάν επιβεβαιωθεί, τα ευρήματα των συγγραφέων θα μπορούσαν να έχουν πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, εάν οι αλλαγές στο περιβάλλον (όπως η θερμοκρασία) προκαλούν αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας, τότε αυτό μπορεί ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση εφαρμογών. Ίσως πιο θεμελιωδώς, τα βιολογικά συστήματα κατασκευάζονται κυρίως από νερό. Πώς τα βιολογικά μόρια (όπως οι πρωτεΐνες) αλληλεπιδρούν μεταξύ τους πιθανόν να εξαρτώνται από τον συγκεκριμένο τρόπο με τον οποίο τα μόρια του νερού οργανώνονται για να σχηματίσουν μια υγρή φάση. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα μόρια του νερού οργανώνονται κατά μέσο όρο σε διαφορετικές θερμοκρασίες θα μπορούσε να ρίξει φως στη λειτουργία του πώς αλληλεπιδρούν σε βιολογικά συστήματα.
Η ανακάλυψη είναι μια συναρπαστική ευκαιρία για τους θεωρητικούς και τους πειραματιστές, και ένα όμορφο παράδειγμα για το πώς ακόμη και η πιο γνωστή ουσία εξακολουθεί να έχει μυστικά που κρύβονται μέσα.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
