Zinātnieki atklājuši jaunu ūdens agregātstāvokli

Žurnālā «International Journal of Nanotechnology» publicētā eksperimentālā rakstā pētnieki norādīja uz vairākām ūdens fizikālo īpašību izmaiņām, temperatūrai esot starp 50 grādiem pēc Celsija un 60 grādiem pēc Celsija. Šīs liecības par iespējamu maiņu uz otru ūdens šķidro stāvokli var izraisīt asu diskusiju zinātnieku aprindās. Ja šis jaunatklājums tiks apstiprināts, tam var būt sekas daudzās jomās, tostarp nanotehnoloģijās un bioloģijā.

Agregātstāvoklis ir galvenais jēdziens, pētot sistēmas, ko veido atomi un molekulas. Daudzu molekulu veidota sistēma var tikt sakārtota dažādās konfigurācijās atkarībā no kopējās enerģijas daudzuma. Augstākās temperatūrās (un līdz ar to ar lielāku enerģiju) molekulām ir vairāk iespējamu konfigurāciju, un līdz ar to tās var kustēties brīvāk (gāzveida stāvoklis). Zemākās temperatūrās molekulām ir ierobežotāks konfigurāciju skaits, un tās veido lielāku kārtību (šķidrs stāvoklis). Ja temperatūra ir vēl zemāka, molekulas sakārtojas ļoti konkrētos izkārtojumos, veidojot cietu stāvokli.

Tas attiecas uz tādām salīdzinoši vienkāršām molekulām kā oglekļa dioksīds un metāns, kam ir trīs skaidri noteikti agregātstāvokļi – šķidrs, ciets un gāzveida. Tomēr sarežģītākām molekulām ir lielāks skaits konfigurāciju, un tas arī palielina agregātstāvokļu skaitu. Labs piemērs tam ir šķidrie kristāli, ko veido sarežģītas organiskās molekulas, kas var plūst kā šķidra viela, tomēr tiem ir cieta kristāliska struktūra.

Tā kā vielas agregātstāvokli nosaka tas, kā ir sakārtotas tās molekulas, daudzas šīs vielas fizikālās īpašības pēkšņi mainīsies, tai pārejot no viena agregātstāvokļa citā. Nesenā pētījumā zinātnieki normālos atmosfēras apstākļos, kas nozīmē, ka ūdens bija šķidrā stāvoklī, izmērīja vairākas ūdens fizikālās īpašības, temperatūrai esot no nulles grādiem pēc Celsija līdz 100 grādiem pēc Celsija. Pārsteidzošā kārtā pētnieki ap 50 grādu atzīmi konstatēja dīvainības īpašībās, piemēram, ūdens virsmas spriegumā un laušanas koeficientā (refrakcijas indeksā).

Īpaša struktūra

Ūdens molekulas struktūra - H₂O - ir ļoti interesanta un atgādina tādu kā bultas uzgali, kur divi ūdeņraža atomi ieskauj vienu skābekļa atomu. Elektroni molekulā ir izkārtoti diezgan asimetriskā veidā, padarot skābekļa pusi negatīvi uzlādētu salīdzinājumā ar ūdeņraža pusi. Šī vienkāršā strukturālā iezīme noved pie ūdens molekulu savstarpējas mijiedarbības jeb ūdeņraža saites, kurā pretējie lādiņi pievelk cits citu.

Tas ūdenim piešķir īpašības, kas daudzos gadījumos izjauc tendences, kuras novērotas citos šķidrumos. Piemēram, pretēji daudzām citām vielām, ūdens fiksētā masa aizņem vairāk vietas cietā (ledus) stāvokli nekā šķidrā, ko nosaka tas, kādā veidā molekulas veido specifisku regulāru struktūru. Cits piemērs ir šķidra ūdens virsmas spriegums, kas ir divreiz lielāks nekā citiem nepolāriem, vienkāršākiem šķidrumiem.

Ūdens ir pietiekami vienkāršs, bet ne pārāk vienkāršs. Tas nozīmē, ka viens skaidrojums papildu stāvoklim ir tas, ka ūdens uzvedība ir nedaudz līdzīga šķidrajiem kristāliem. Ūdeņraža saite starp molekulām uztur zināmu kārtību zemās temperatūrās, tomēr beigās ūdens var ieņemt otru, mazāk sakārtotu šķidro fāzi augstākās temperatūrās. Tas varētu izskaidrot pētnieku novērotās dīvainības rādītājos.

Ja pētījuma rezultāti tiks apstiprināti, tiem varētu būt plašs lietojums.

Piemēram, ja izmaiņas vidē (temperatūrā) rada izmaiņas vielas fizikālajās īpašībās, tad to, iespējams, varētu izmantot tālizpētē. Jaunatklājumam var būt arī daudz fundamentālākas sekas. Bioloģiskās sistēmas lielākoties ir veidotas no ūdens. Tas, kā bioloģiskās molekulas, piemēram, proteīni, mijiedarbojas cita ar citu, iespējams, ir atkarīgs no konkrēta veida, kādā ir izkārtojušās ūdens molekulas, lai izveidotu šķidro stāvokli. Izpratne par to, kā ūdens molekulas vidēji ir sakārtotas dažādās temperatūrās var palīdzēt labāk saprast to, kā tās savstarpēji mijiedarbojas dažādās bioloģiskās sistēmās.

Šis jaunatklājums ir lieliska iespēja teorētiķiem un eksperimentētājiem un lielisks piemērs tam, ka pat vislabāk zināmā viela joprojām glabā noslēpumus.