Британські фізики відкрили новий агрегатний стан води

Фізики заявили, що крім трьох відомих станів води — газоподібного, рідкого і твердого — існує також і четвертий. Недавно міжнародна група вчених виявила ознаки того, що рідка вода насправді може існувати в двох різних станах.

У школі нас учили, що вода може існувати в трьох різних станах: у вигляді твердого льоду, рідкої води або газоподібного пара.

Одна з базових речей, які ми дізнаємося на уроках природознавства в школі, це те, що вода може існувати в трьох різних станах: у вигляді твердого льоду, рідкої води або газоподібного пара. Але недавно міжнародна група вчених виявила ознаки того, що рідка вода насправді може існувати в двох різних станах, пише The Conversation.

Проводячи дослідницьку роботу - результати були опубліковані потім в International Journal of Nanotechnology - вчені несподівано виявили, що у води температурою від 50 до 60 ℃ змінюється ряд властивостей. Ця ознака можливого існування другого рідкого стану води розпалила гарячу дискусію в наукових колах. Якщо це підтвердиться, то відкриття знайде застосування в безлічі областей, включаючи нанотехнології і біологію.

Агрегатні стани, які ще називають «фазами», - ключове поняття вчення про системи атомів і молекул. Грубо кажучи, система, що складається з безлічі молекул, може бути організована у вигляді певного числа конфігурацій залежно від її загальної кількості енергії. При високих температурах (а значить, при більшому рівні енергії) молекулам доступно більше число конфігурацій, тобто вони менш жорстко організовані і рухаються відносно вільно (газова фаза). При більш низьких температурах у молекул в розпорядженні менше конфігурацій і вони знаходяться в більш організованою фазі (рідкої). Якщо температура опуститься ще нижче, вони візьмуть одну певну конфігурацію і утворюють тверде тіло.

Ця загальний стан речей для відносно простих молекул, таких як діоксид вуглецю або метан, у яких три ясно розрізнені стани (рідина, тверде тіло і газ). Але у більш складних молекул є більше число можливих конфігурацій, а значить і кількість фаз зростає. Прекрасна ілюстрація цього - подвійна поведінка рідких кристалів, які формуються з комплексів органічних молекул і можуть текти, як рідини, але зберігають при цьому тверду кристалічну структуру.

Так як фази речовини визначаються його молекулярної конфігурацією, багато фізичні властивості кардинально змінюються, коли речовина переходить з одного стану в інший. У вищезгаданому дослідженні вчені вимірювали кілька контрольних властивостей води температурою від 0 до 100 ℃ при нормальних атмосферних умовах (щоб вода була рідиною). Несподівано вони виявили різкі відхилення в таких властивостях як, наприклад, поверхневий натяг води і коефіцієнт заломлення (показник, що відображає, як світло проходить через воду) при температурі близько 50 ℃.

Оособлива структура

Як це можливо? Структура молекули води, H₂O, дуже цікава і може бути зображена у вигляді свого роду стрілки, де атом кисню розташовується вгорі, а два атома водню «супроводжують» його з флангів. Електрони в молекулах прагнуть розподілитися асиметричним чином, через що з боку кисню молекула отримує негативний заряд в порівнянні зі стороною водню. Ця проста структурна особливість веде до того, що молекули води починають певним чином взаємодіяти один з одним, їх протилежні заряди притягуються, утворюючи так званий водневий зв'язок.

Це дозволяє воді в багатьох випадках поводитися інакше, ніж це роблять, згідно зі спостереженнями, інші прості рідини. Наприклад, на відміну від більшості інших речовин певна маса води займає більше місця в твердому стані (у вигляді льоду), ніж в рідкому, через те, що її молекули утворюють специфічну регулярну структуру. Інший приклад - поверхневий натяг рідкої води, яке в два рази більше, ніж у інших неполярних, більш простих рідин.

Вода досить проста, але не занадто. Це означає, що єдиним пояснення виявлення додаткової фазі води - є те, що вона поводить себе трішки як рідкий кристал. Водневі зв'язки між молекулами підтримують певний порядок при низьких температурах, але можуть приходити і в інший, більш вільний стан при підвищенні температури. Цим пояснюються значні відхилення, які спостерігаються вченими під час досліджень.

Якщо все підтвердиться, висновки авторів можуть знайти безліч застосувань. Наприклад, якщо зміни в навколишньому середовищі (скажімо, температури) тягнуть за собою зміни у фізичних властивостях речовини, теоретично це можна використовувати при створенні апаратури зондування. Або можна підійти більш фундаментально - біологічні системи складаються в основному з води. Те, як органічні молекули (наприклад, протеїни) взаємодіють один з одним, ймовірно, залежить від того, як молекули води утворюють рідку фазу. Якщо зрозуміти, як молекули води в середньому поводяться при різних температурах, можна прояснити, як вони взаємодіють в біологічних системах.

Плазма.

При нагріванні рідкого матеріалу від 50 до 60 градусів змінюється коефіцієнт його заломлення, електропровідність і теплопровідність. Після 60 градусів всі ці показники зникають, змінюючи їх на газоподібний стан. Виявилося, що зміна властивостей відбувається при нагріванні приблизно до 50 градусів за Цельсієм. При цьому кожна з характеристик змінює своє значення за різної температури: при температурі близько 64°C змінюється показник теплопровідності, при 50°C — коефіцієнт заломлення, при 53°C — електропровідність, при 57°C — поверхневий натяг.

Фізики підкреслюють, що саме цю зміну фізичних властивостей і можна назвати четвертим станом рідини — плазмою. З появою нової інформації щодо властивостей води, у фізиків більше виникає питань і невирішених завдань.

Це відкриття - відмінна можливість для теоретиків і експериментаторів, а також прекрасний приклад того, що навіть найбільш звична речовина може приховувати в собі секрети.

Опублікував: Evora
Інформація, котра опублікована на цій сторінці не має стосунку до редакції порталу patrioty.org.ua, всі права та відповідальність стосуються фізичних та юридичних осіб, котрі її оприлюднили.

Окупанти планували новий наступ на Харків та Суми влітку - джерело

п’ятниця, 22 листопад 2024, 19:29

Російські окупанти планували наступальну операцію на Харківському та Сумському напрямку 1−15 червня 2024 року. Про це NV повідомило високопоставлене джерело в ЗСУ, передають Патріоти України. Підготовку до нового наступу окупанти завершили наприкінці т...

"Шашлики 2.0": Урядовий квартал утік, а як щодо попереджень для решти? - Зоя Казанжи

п’ятниця, 22 листопад 2024, 15:46

"У США розроблена система попереджень для кожного стихійного лиха, щоб запобігти жертвам серед цивільного населення. Однак в Україні, навіть під час загрози обстрілом експериментальною російською ракетою, за звичкою, евакуйовується тільки влада. Чи дов...