Fizycy odkryli drugi stan skupienia ciekłej wody
Woda to jeden z najbardziej podstawowych związków chemicznych na Ziemi, stanowiący w przybliżeniu 60 proc. ludzkiego ciała. Okazuje się jednak, że woda jest nam bardziej obca niż mogłoby się wydawać.
Uczeni badali właściwości fizyczne wody i okazało się, że w temperaturze między 40 a 60oC, osiąga ona punkt, w którym może "przełączać się" między dwoma różnymi stanami. Jak to możliwe?
Woda jest związkiem chemicznym niezbędnym do podtrzymania życia na Ziemi. Powszechnie wiadomo, że woda występuje w trzech podstawowych stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. W pewnych okolicznościach może wytworzyć się także stan skupienia przypominający plazmę. Ale pod wieloma względami czysta woda jest niepodobna do żadnej innej substancji na naszej planecie.
Poza rtęcią, woda ma najwyższe napięcie powierzchniowe ze wszystkich cieczy. Jest to także jedna z niewielu znanych substancji, która pod postacią ciała stałego może unosić się na cieczy. W odróżnieniu od niemal wszystkich znanych substancji, podczas zamarzania woda zwiększa swoją objętość.
To nie wszystko. Woda ma dziwaczną temperaturę wrzenia. Chociaż temperatury wrzenia innych wodorków, w tym tellurowodoru i siarkowodoru, maleją w miarę zmniejszania wielkości cząsteczki, H2O ma zaskakująco wysoki punkt wrzenia przy stosunkowo małej masie cząsteczkowej.
"Nikt tak naprawdę nie rozumie wody. To wstyd przyznać, że substancja, która pokrywa 2/3 naszej planety, wciąż jest dla nas tajemnicą. Co gorsza, im więcej na wodę patrzymy, tym większe przysparza nam problemy" - powiedział fizyk Philip Ball.
Teraz fizycy wykazali, że gdzieś w temperaturze między 40 a 60oC znajduje się punkt, w którym płynna woda może "przełączać" swój stan skupienia, wykazując wiele nowych właściwości. Aby zrozumieć to zjawisko, międzynarodowy zespół kierowany przez fizyk Laurę Maestro z Uniwersytetu w Oksfordzie, przyjrzał się pewnym konkretnym właściwościom wody.
Uczeni analizowali takie właściwości wody, jak przewodność cieplna, współczynnik załamania światła, współczynnik przewodności, napięcie powierzchniowe oraz stała dielektryczna, pod kątem fluktuacji temperaturowych między 0 a 100oC.
Gdy woda tylko osiągnęła temperaturę 40oC, podstawowe właściwości zaczęły się zmieniać, aż do punktu granicznego wyznaczanego przez 60oC. Każda z właściwości miała swoją "temperaturę przełączeniową", a to dlatego, że woda zmieniała właściwości, nie zmieniając jednocześnie stanu skupienia.
Uczeni określili kilka kluczowych temperatur, w których woda może zmieniać właściwości: ok. 64oC dla przewodności cieplnej, 50oC dla współczynnika załamania światła, ok. 53oC dla współczynnika przewodności i ok. 57oC dla napięcia powierzchniowego.
Naukowcy nie wiedzą, jak to jest możliwe, że woda zmienia swoje właściwości. Najprawdopodobniej substancja ta spontanicznie przełącza się między dwoma całkowicie różnymi stanami cieczy - w zależności od temperatury. Być może to właśnie dlatego woda wykazuje tak niezwykłe i tak różne od innych ziemskich substancji właściwości.
Cząsteczki wody wytwarzają tylko bardzo krótkotrwałe połączenia między sobą, a te wiązania wodorowe są w rzeczywistości znacznie słabsze niż wiązania, które łączą poszczególne atomy wodoru i tlenu wewnątrz molekuł. Z tego powodu wiązania wodorowe, które scalają cząsteczki wody, są ciągle łamane i odbudowywane, a w tym całym "chaosie" istnieje kilka stałych zasad. Fizycy podejrzewają, że właśnie te zasady implikują niezwykłe właściwości H2O.
"Wszyscy zgodzimy się, że przynajmniej jeden z elementów struktury molekularnej wody odróżnia ją od większości innych płynów: ulotne wiązania wodorowe. Te słabe wiązania łączące cząsteczki wody ciągle pękają i odtwarzają się powyżej temperatury topnienia wody" - stwierdził Philip Ball.
Teraz kolejne zespoły fizyków zamierzają na nowo zbadać właściwości wody. Być może już niedługo zacznie się przepisywanie podręczników szkolnych, bo prawdopodobnie istnieją więcej stanów wody niż śniło się filozofom.
