Jedna od najosnovnijih stvari o kojoj nas uče na satovima nauke u školama je da voda može postojati u tri različita stanja, bilo kao čvrsti led, tekuća voda ili par para. No, međunarodni tim znanstvenika nedavno je otkrio znakove da tekuća voda zapravo može doći u dvije različite države.
Pišući u eksperimentalnom radu, objavljenom u International Journal of Nanotechnology, istraživači su bili iznenađeni kada su otkrili da brojna fizička svojstva vode mijenjaju ponašanje između 50 60 i 60 ℃. Ovaj znak potencijalne promjene u drugom tekućem stanju mogao bi izazvati burnu raspravu u znanstvenoj zajednici. Ako se potvrdi, to bi moglo imati posljedice za niz područja, uključujući nanotehnologiju i biologiju.
Stanja materije, koja se nazivaju i "fazama", ključni su pojam u proučavanju sustava napravljenih od atoma i molekula. Grubo govoreći, sustav formiran od mnogih molekula može se organizirati u određenom broju konfiguracija, ovisno o njegovoj ukupnoj energiji. Pri višim temperaturama (a time i većim energijama) molekule imaju više mogućih konfiguracija, pa su tako i više neorganizirane i mogu se kretati relativno slobodno (plinska faza). Pri nižim temperaturama molekule imaju ograničeniji broj konfiguracija i tako tvore uređeniju fazu (tekućina). Ako se temperatura dodatno spusti, oni se smještaju u vrlo specifičnoj konfiguraciji, stvarajući krutu tvar.
Ova je slika uobičajena za relativno jednostavne molekule poput ugljičnog dioksida ili metana, koje imaju tri jasna, različita stanja (tekuća, kruta i plinska). Ali za složenije molekule postoji veći broj mogućih konfiguracija i to stvara više faza. Lijepa ilustracija ovoga je bogato ponašanje tekućih kristala, koje nastaju složene organske molekule i mogu teći poput tekućina, ali još uvijek imaju čvrstu kristalnu strukturu
Kako je faza tvari određena konfiguracijom njezinih molekula, mnoga fizička svojstva te tvari naglo će se mijenjati kako prelazi iz jednog stanja u drugo. U nedavnom su radu istraživači izmjerili nekoliko fizičkih svojstava vode pri temperaturama između 0 i 100 ℃ u normalnim atmosferskim uvjetima (što znači da je voda bila tekućina). Iznenađujuće, otkrili su pomake u svojstvima kao što su površinska napetost vode i njen indeks loma (mjera kako svjetlost putuje kroz nju) na oko 50 ℃.
Kako to može biti? Struktura molekule vode, H2O, vrlo je zanimljiva i može se zamisliti kao neka vrsta vrha strelice, pri čemu dva atoma vodika boče atom kisika na vrhu. Elektroni u molekuli su raspoređeni na prilično asimetričan način, zbog čega je strana kisika negativno nabijena u odnosu na vodikovu stranu. Ova jednostavna strukturna značajka dovodi do svojevrsne interakcije između molekula vode poznate kao vezanje vodika, u kojoj se suprotni naboji međusobno privlače.
To daje svojstva vode koja u mnogim slučajevima narušavaju trendove uočene za druge jednostavne tekućine. Na primjer, za razliku od većine drugih tvari, fiksna masa vode zauzima više prostora kao kruta tvar (led) nego kao (tekućina) zbog načina na koji molekule formiraju specifičnu pravilnu strukturu. Drugi je primjer površinska napetost tekuće vode koja je otprilike dvostruko veća od ostalih nepolarnih, jednostavnijih, tekućina.
Voda je dovoljno jednostavna, ali ne previše jednostavna. To znači da je jedna mogućnost objašnjenja prividne dodatne faze vode ta da se ponaša pomalo poput tekućeg kristala. Vodikove veze između molekula održavaju neki red pri niskim temperaturama, ali s vremenom bi mogla potrajati druga, manje naručena tekuća faza na višim temperaturama. To bi moglo objasniti kinkove koje su istraživači primijetili u svojim podacima.
Ako se potvrde, nalaza autora mogla bi imati mnogo primjena. Na primjer, ako promjene okoline (poput temperature) uzrokuju promjene u fizičkim svojstvima tvari, to se potencijalno može upotrijebiti za primjenu senzora. Možda u osnovi, biološki sustavi uglavnom su izrađeni od vode. Kako biološke molekule (poput bjelančevina) međusobno djeluju, vjerojatno ovisi o specifičnom načinu na koji se molekule vode organiziraju u obliku tekuće faze. Razumijevanje načina na koji se molekule vode organiziraju u prosjeku na različitim temperaturama moglo bi osvijetliti rad interakcije u biološkim sustavima.
Otkriće je uzbudljiva prilika za teoretičare i eksperimentaliste i lijep primjer toga kako se čak i najpoznatija tvar još uvijek skriva u sebi tajne.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation. Pročitajte izvorni članak.
