Британські фізики відкрили новий агрегатний стан води

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.