Teadlased on avastanud vee uue oleku

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Üks põhilisi asju, mida me koolis loodusteaduste tundides õpime, on see, et vesi võib eksisteerida kolmes erinevas olekus: tahke jää, vedel vesi või gaasiaur. Kuid hiljuti on rahvusvaheline teadlaste meeskond leidnud märke, et vedel vesi võib tegelikult eksisteerida kahes erinevas olekus.

Uurimistööd tehes – tulemused avaldati hiljem ajakirjas International Journal of Nanotechnology – avastasid teadlased ootamatult, et vees, mille temperatuur on 50–60 ℃, muutuvad mitmed omadused. See märk vee teise vedela oleku võimalikust olemasolust on tekitanud teadusringkondades tulise arutelu. Kui see leiab kinnitust, leiab avastus rakendusi paljudes valdkondades, sealhulgas nanotehnoloogias ja bioloogias.

Agregaatolekud, mida nimetatakse ka "faasideks", on aatomite ja molekulide süsteemide teooria põhikontseptsioon. Jämedalt öeldes saab paljudest molekulidest koosneva süsteemi organiseerida teatud arvu konfiguratsioonide kujul, sõltuvalt selle energia koguhulgast. Kõrgetel temperatuuridel (ja seega ka kõrgemal energiatasemel) on molekulidele saadaval suurem hulk konfiguratsioone, st nad on vähem jäigalt organiseeritud ja liiguvad suhteliselt vabalt (gaasifaas). Madalamatel temperatuuridel on molekulidel vähem konfiguratsioone ja nad on rohkem organiseeritud (vedelas) faasis. Kui temperatuur langeb veelgi madalamale, omandavad nad ühe kindla konfiguratsiooni ja moodustavad tahke aine.

See on üldine olukord suhteliselt lihtsate molekulide puhul, nagu süsinikdioksiid või metaan, millel on kolm erinevat olekut (vedel, tahke ja gaas). Kuid keerukamatel molekulidel on suurem arv võimalikke konfiguratsioone, mis tähendab, et faaside arv suureneb. Selle suurepäraseks illustratsiooniks on vedelkristallide topeltkäitumine, mis moodustuvad orgaaniliste molekulide kompleksidest ja võivad voolata nagu vedelikud, kuid säilitavad siiski tahke kristalse struktuuri.

Kuna aine faasid määrab selle molekulaarne konfiguratsioon, muutuvad paljud füüsikalised omadused aine ühest olekust teise üleminekul dramaatiliselt. Ülalmainitud uuringus mõõtsid teadlased normaalsetes atmosfääritingimustes (nii et vesi oleks vedel) mitmeid vee kontrollomadusi vahemikus 0 kuni 100 ℃. Ootamatult avastasid nad umbes 50 ℃ temperatuuril dramaatilisi erinevusi sellistes omadustes nagu vee pindpinevus ja murdumisnäitaja (indeks, mis peegeldab valguse liikumist läbi vee).

Spetsiaalne struktuur

Kuidas on see võimalik? Veemolekuli H₂O struktuur on väga huvitav ja seda võib kujutada omamoodi noolena, kus hapnikuaatom asub ülaosas ja kaks vesinikuaatomit "kaasavad" seda külgedelt. Elektronid kipuvad molekulides jaotuma asümmeetriliselt, mistõttu saab molekul hapniku poolelt negatiivse laengu võrreldes vesiniku poolega. See lihtne struktuurne iseärasus toob kaasa asjaolu, et veemolekulid hakkavad üksteisega teatud viisil suhtlema, nende vastandlaengud tõmbavad ligi, moodustades nn vesiniksideme.

See võimaldab veel paljudel juhtudel käituda teisiti kui teised lihtsad vedelikud. Näiteks erinevalt enamikust teistest ainetest võtab teatud mass vett tahkes olekus (jää kujul) rohkem ruumi kui vedelas olekus, kuna selle molekulid moodustavad kindla korrapärase struktuuri. Teine näide on vedela vee pindpinevus, mis on kaks korda suurem kui teistel mittepolaarsetel lihtsamatel vedelikel.

Vesi on üsna lihtne, kuid mitte üle jõu käiv. See tähendab, et avaldunud vee lisafaasi ainus selgitus on see, et see käitub veidi nagu vedelkristall. Molekulidevahelised vesiniksidemed säilitavad madalatel temperatuuridel teatud järjestuse, kuid temperatuuri tõustes võivad nad jõuda ka teise, vabamasse olekusse. See seletab olulisi kõrvalekaldeid, mida teadlased uuringute käigus täheldasid.

Kui see kinnitust leiab, võib autorite järeldustel olla palju kasu. Näiteks kui muutused keskkonnas (näiteks temperatuur) toovad kaasa muutusi aine füüsikalistes omadustes, saab teoreetiliselt seda kasutada sondeerimisseadmete loomiseks. Või läheneda sellele põhimõttelisemalt – bioloogilised süsteemid koosnevad peamiselt veest. See, kuidas orgaanilised molekulid (näiteks valgud) omavahel suhtlevad, sõltub tõenäoliselt sellest, kuidas veemolekulid moodustavad vedela faasi. Kui mõistate, kuidas veemolekulid erinevatel temperatuuridel keskmiselt käituvad, saate selgitada, kuidas nad bioloogilistes süsteemides interakteeruvad.

See avastus on suurepärane võimalus teoreetikutele ja eksperimenteerijatele, aga ka suurepärane näide sellest, et isegi kõige tuttavam aine suudab enda sees saladusi peita.

Rodrigo Ledesma Aguilar