Noe av det mest grunnleggende vi læres i skolevitenskapsklasser er at vann kan eksistere i tre forskjellige tilstander, enten som fast is, flytende vann eller dampgass. Men et internasjonalt team av forskere har nylig funnet tegn til at flytende vann faktisk kan komme i to forskjellige stater.
Forfatterne skrev i en eksperimentell artikkel, publisert i International Journal of Nanotechnology, og overrasket over at en rekke fysiske egenskaper ved vann endrer oppførsel mellom 50 ℃ og 60 ℃. Dette tegnet på en potensiell endring til en annen flytende tilstand kan utløse en opphetet diskusjon i det vitenskapelige samfunnet. Og hvis bekreftet, kan det ha konsekvenser for en rekke felt, inkludert nanoteknologi og biologi.
Materiestater, også kalt “faser”, er et sentralt begrep i studiet av systemer laget av atomer og molekyler. Grovt sett kan et system dannet av mange molekyler arrangeres i et visst antall konfigurasjoner avhengig av dets totale energi. Ved høyere temperaturer (og derfor høyere energier) har molekylene flere mulige konfigurasjoner, og de er mer uorganiserte og kan bevege seg relativt fritt (gassfasen). Ved lavere temperaturer har molekylene et mer begrenset antall konfigurasjoner og danner så en mer ordnet fase (en væske). Hvis temperaturen går lenger, ordner de seg i en veldig spesifikk konfigurasjon og produserer et fast stoff.
Dette bildet er vanlig for relativt enkle molekyler som karbondioksid eller metan, som har tre klare, forskjellige tilstander (væske, faststoff og gass). Men for mer komplekse molekyler er det et større antall mulige konfigurasjoner, og dette gir flere faser. En vakker illustrasjon av dette er den rike oppførselen til flytende krystaller, som er dannet av komplekse organiske molekyler og kan flyte som væsker, men fortsatt har en fastlignende krystallinsk struktur
Fordi fasen til et stoff bestemmes av hvordan molekylene er konfigurert, vil mange fysiske egenskaper for dette stoffet endres brått når det går fra en tilstand til en annen. I den ferske artikkelen målte forskerne flere fysiske egenskaper ved vann ved temperaturer mellom 0 100 og 100 ℃ under normale atmosfæriske forhold (noe som betyr at vannet var en væske). Overraskende fant de en knekk i egenskaper som vannets overflatespenning og dets brytningsindeks (et mål på hvordan lys beveger seg gjennom det) på rundt 50 ℃.
Hvordan kan dette være? Strukturen til et vannmolekyl, H2O, er veldig interessant og kan avbildes som en slags pilspiss, med de to hydrogenatomene som flenser oksygenatomet øverst. Elektronene i molekylet har en tendens til å bli distribuert på en ganske asymmetrisk måte, noe som gjør oksygensiden negativt ladet i forhold til hydrogensiden. Dette enkle strukturelle trekk fører til en slags interaksjon mellom vannmolekyler kjent som hydrogenbinding, der de motsatte ladningene tiltrekker hverandre.
Dette gir vannegenskaper som i mange tilfeller bryter trendene som er observert for andre enkle væsker. I motsetning til de fleste andre stoffer, tar for eksempel en fast masse vann mer rom som et fast stoff (is) enn som (væske) på grunn av måten det molekyler danner en spesifikk regelmessig struktur. Et annet eksempel er overflatespenningen til flytende vann, som er omtrent det dobbelte av andre ikke-polare, enklere væsker.
Vann er enkelt nok, men ikke for enkelt. Dette betyr at en mulighet for å forklare den tilsynelatende ekstra fasen av vann er at den oppfører seg litt som en flytende krystall. Hydrogenbindelsene mellom molekylene holder en viss orden ved lave temperaturer, men kan til slutt ta en andre, mindre ordnet væskefase ved høyere temperaturer. Dette kan forklare knekkene som forskerne har observert i dataene sine.
Hvis bekreftet, kan forfatternes funn ha mange bruksområder. For eksempel, hvis endringer i miljøet (som temperatur) forårsaker endringer i stoffets fysiske egenskaper, kan dette potensielt brukes til å registrere applikasjoner. Kanskje mer grunnleggende, biologiske systemer er stort sett laget av vann. Hvordan biologiske molekyler (som proteiner) interagerer med hverandre, avhenger sannsynligvis av den spesifikke måten vannmolekyler arrangerer for å danne en flytende fase. Å forstå hvordan vannmolekyler ordner seg i gjennomsnitt ved forskjellige temperaturer, kan kaste lys over virkningen av hvordan de samvirker i biologiske systemer.
Oppdagelsen er en spennende mulighet for teoretikere og eksperimentister, og et vakkert eksempel på hvordan selv det mest kjente stoffet fremdeles har hemmeligheter som gjemmer seg inne.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Les den opprinnelige artikkelen.
