دانشمندان حالت جدیدی از آب را کشف کرده اند

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

یکی از چیزهای اساسی که در کلاس های علوم در مدرسه یاد می گیریم این است که آب می تواند در سه حالت مختلف وجود داشته باشد: یخ جامد، آب مایع یا بخار گازی. اما اخیرا، یک تیم بین المللی از دانشمندان نشانه هایی پیدا کرده اند که نشان می دهد آب مایع می تواند در دو حالت مختلف وجود داشته باشد.

در حین انجام کارهای تحقیقاتی - نتایج بعداً در مجله بین المللی نانوتکنولوژی منتشر شد - دانشمندان به طور غیرمنتظره ای دریافتند که تعدادی از خواص در آب با دمای 50 تا 60 درجه سانتیگراد تغییر می کند. این نشانه وجود احتمالی حالت مایع دوم آب، بحث داغی را در محافل علمی به راه انداخته است. در صورت تایید، این کشف در بسیاری از زمینه ها از جمله نانوتکنولوژی و زیست شناسی کاربرد پیدا خواهد کرد.

حالات انباشته، که به آنها "فاز" نیز می گویند، مفهوم کلیدی نظریه سیستم های اتم ها و مولکول ها هستند. به طور کلی، یک سیستم متشکل از مولکول های زیادی را می توان در قالب تعداد معینی از پیکربندی ها بسته به مقدار کل انرژی آن سازماندهی کرد. در دماهای بالا (و در نتیجه در سطح انرژی بالاتر)، تعداد بیشتری از پیکربندی‌ها در دسترس مولکول‌ها قرار می‌گیرد، یعنی آن‌ها به‌طور منظم سازمان‌دهی کمتری دارند و نسبتاً آزادانه حرکت می‌کنند (فاز گاز). در دماهای پایین تر، مولکول ها پیکربندی کمتری دارند و در فاز سازمان یافته تر (مایع) قرار دارند. اگر دما حتی کمتر شود، آنها یک پیکربندی مشخص را به خود می گیرند و یک جامد را تشکیل می دهند.

این وضعیت کلی برای مولکول های نسبتا ساده مانند دی اکسید کربن یا متان است که دارای سه حالت متمایز (مایع، جامد و گاز) هستند. اما مولکول‌های پیچیده‌تر تعداد بیشتری از پیکربندی‌های ممکن دارند، به این معنی که تعداد فازها افزایش می‌یابد. یک مثال عالی از این رفتار دوگانه کریستال‌های مایع است که از مجتمع‌های مولکول‌های آلی تشکیل شده‌اند و می‌توانند مانند مایعات در جریان باشند، اما همچنان ساختار بلوری جامد خود را حفظ می‌کنند.

از آنجایی که فازهای یک ماده با پیکربندی مولکولی آن تعیین می شود، بسیاری از خواص فیزیکی زمانی که یک ماده از حالتی به حالت دیگر منتقل می شود، به طور چشمگیری تغییر می کند. در مطالعه فوق الذکر، دانشمندان چندین ویژگی کنترلی آب را بین 0 تا 100 درجه سانتیگراد در شرایط جوی معمولی (به طوری که آب مایع باشد) اندازه گیری کردند. به طور غیرمنتظره ای، آنها تغییرات چشمگیری در خواصی مانند کشش سطحی آب و ضریب شکست (شاخصی که نحوه عبور نور در آب را منعکس می کند) در دمای حدود 50 درجه سانتیگراد یافتند.

ساختار ویژه

چه طور ممکنه؟ ساختار مولکول آب، H2O، بسیار جالب است و می توان آن را به عنوان نوعی فلش نشان داد، جایی که اتم اکسیژن در بالا قرار دارد و دو اتم هیدروژن آن را از کناره ها "همراه" می کنند. الکترون‌های موجود در مولکول‌ها تمایل به توزیع نامتقارن دارند، به همین دلیل است که مولکول در مقایسه با سمت هیدروژن یک بار منفی از سمت اکسیژن دریافت می‌کند. این ویژگی ساده ساختاری منجر به این واقعیت می شود که مولکول های آب شروع به تعامل با یکدیگر به روش خاصی می کنند، بارهای مخالف آنها جذب می شوند و به اصطلاح پیوند هیدروژنی را تشکیل می دهند.

این امر به آب اجازه می دهد در بسیاری از موارد رفتار متفاوتی با آنچه دیگر مایعات ساده مشاهده کرده اند داشته باشد. به عنوان مثال، بر خلاف بسیاری از مواد دیگر، جرم معینی از آب در حالت جامد (به شکل یخ) نسبت به حالت مایع فضای بیشتری را اشغال می کند، زیرا مولکول های آن ساختار منظم خاصی را تشکیل می دهند.مثال دیگر کشش سطحی آب مایع است که دو برابر دیگر مایعات غیر قطبی و ساده تر است.

آب بسیار ساده است، اما زیاد نیست. این بدان معنی است که تنها توضیح فاز اضافی آب که خود را نشان داده است این است که رفتار آن کمی شبیه یک کریستال مایع است. پیوندهای هیدروژنی بین مولکول ها در دماهای پایین نظم خاصی را حفظ می کنند، اما می توانند با افزایش دما به حالت آزادتر دیگری نیز برسند. این انحرافات قابل توجهی که توسط دانشمندان در طول تحقیقات مشاهده شده است را توضیح می دهد.

اگر این مورد تایید شود، نتیجه گیری نویسندگان ممکن است کاربردهای زیادی داشته باشد. به عنوان مثال، اگر تغییرات در محیط (مثلاً، دما) مستلزم تغییراتی در خواص فیزیکی یک ماده باشد، از نظر تئوری می توان از آن برای ایجاد تجهیزات صدا استفاده کرد. یا می توانید اساساً به آن نزدیک شوید - سیستم های بیولوژیکی عمدتاً از آب تشکیل شده اند. نحوه تعامل مولکول های آلی (مانند پروتئین ها) با یکدیگر احتمالاً به نحوه تشکیل فاز مایع توسط مولکول های آب بستگی دارد. اگر درک کنید که مولکول های آب به طور متوسط در دماهای مختلف چگونه رفتار می کنند، می توانید نحوه تعامل آنها در سیستم های بیولوژیکی را روشن کنید.

این کشف فرصتی عالی برای نظریه پردازان و آزمایشگران است و همچنین نمونه ای عالی از این واقعیت است که حتی آشناترین ماده نیز می تواند رازهایی را در درون خود پنهان کند.

رودریگو لدسما آگیلار