მეცნიერებმა წყლის ახალი მდგომარეობა აღმოაჩინეს

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

ერთ-ერთი ძირითადი რამ, რასაც სკოლაში მეცნიერების გაკვეთილებზე ვსწავლობთ, არის ის, რომ წყალი შეიძლება არსებობდეს სამ სხვადასხვა მდგომარეობაში: მყარი ყინული, თხევადი წყალი ან აირისებრი ორთქლი. მაგრამ ახლახან, მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა აღმოაჩინა ნიშნები იმისა, რომ თხევადი წყალი რეალურად შეიძლება არსებობდეს ორ განსხვავებულ სახელმწიფოში.

კვლევითი სამუშაოების ჩატარებისას - შედეგები მოგვიანებით გამოქვეყნდა ნანოტექნოლოგიის საერთაშორისო ჟურნალში - მეცნიერებმა მოულოდნელად აღმოაჩინეს, რომ წყლის მთელი რიგი თვისებები იცვლება 50-დან 60 ℃ ტემპერატურამდე. წყლის მეორე თხევადი მდგომარეობის შესაძლო არსებობის ამ ნიშანმა გამოიწვია მწვავე დებატები სამეცნიერო წრეებში. თუ დადასტურდა, მაშინ აღმოჩენა იპოვის გამოყენებას ბევრ სფეროში, მათ შორის ნანოტექნოლოგიასა და ბიოლოგიაში.

აგრეგატული მდგომარეობები, რომლებსაც ასევე უწოდებენ "ფაზებს", არის ატომებისა და მოლეკულების სისტემების თეორიის ძირითადი კონცეფცია. უხეშად რომ ვთქვათ, სისტემა, რომელიც შედგება მრავალი მოლეკულისგან, შეიძლება ორგანიზებული იყოს გარკვეული რაოდენობის კონფიგურაციის სახით, რაც დამოკიდებულია ენერგიის მთლიან რაოდენობაზე. მაღალ ტემპერატურაზე (და შესაბამისად უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე), უფრო მეტი კონფიგურაცია ხელმისაწვდომია მოლეკულებისთვის, ანუ ისინი ნაკლებად მყარად არიან ორგანიზებულნი და შედარებით თავისუფლად მოძრაობენ (გაზის ფაზა). დაბალ ტემპერატურაზე მოლეკულებს ნაკლები კონფიგურაცია აქვთ და უფრო ორგანიზებულ (თხევად) ფაზაში არიან. თუ ტემპერატურა კიდევ უფრო დაბლა დაეცემა, ისინი მიიღებენ ერთ განსაზღვრულ კონფიგურაციას და ქმნიან მყარს.

ეს არის შედარებით მარტივი მოლეკულების მდგომარეობა, როგორიცაა ნახშირორჟანგი ან მეთანი, რომლებსაც აქვთ სამი განსხვავებული მდგომარეობა (თხევადი, მყარი და აირი). მაგრამ უფრო რთულ მოლეკულებს აქვთ შესაძლო კონფიგურაციის უფრო დიდი რაოდენობა, რაც ნიშნავს, რომ ფაზების რაოდენობა იზრდება. ამის შესანიშნავი ილუსტრაციაა თხევადი კრისტალების ორმაგი ქცევა, რომლებიც წარმოიქმნება ორგანული მოლეკულების კომპლექსებისგან და შეუძლიათ სითხეების მსგავსად მიედინებიან, მაგრამ მაინც ინარჩუნებენ მყარ კრისტალურ სტრუქტურას.

ვინაიდან ნივთიერების ფაზები განისაზღვრება მისი მოლეკულური კონფიგურაციით, ბევრი ფიზიკური თვისება მკვეთრად იცვლება, როდესაც ნივთიერება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში გადადის. ზემოხსენებულ კვლევაში მეცნიერებმა გაზომეს წყლის რამდენიმე საკონტროლო თვისება 0-დან 100 ℃-მდე ნორმალურ ატმოსფერულ პირობებში (ისე, რომ წყალი თხევადი იყოს). მოულოდნელად, მათ აღმოაჩინეს ისეთი თვისებები, როგორიცაა წყლის ზედაპირული დაძაბულობა და რეფრაქციული ინდექსი (ინდექსი, რომელიც ასახავს როგორ მოძრაობს სინათლე წყალში) დაახლოებით 50 ℃ ტემპერატურაზე.

სპეციალური სტრუქტურა

Როგორ არის ეს შესაძლებელი? წყლის მოლეკულის H2O აგებულება ძალიან საინტერესოა და შეიძლება გამოსახული იყოს ერთგვარი ისრის სახით, სადაც ჟანგბადის ატომი მდებარეობს ზევით, ხოლო წყალბადის ორი ატომი მას ფლანგებიდან „ახლავს“. მოლეკულებში ელექტრონები ასიმეტრიულად ნაწილდება, რის გამოც მოლეკულა იღებს უარყოფით მუხტს ჟანგბადის მხრიდან წყალბადის მხარესთან შედარებით. ეს მარტივი სტრუქტურული მახასიათებელი იწვევს იმ ფაქტს, რომ წყლის მოლეკულები იწყებენ ურთიერთქმედებას ერთმანეთთან გარკვეული გზით, მათი საპირისპირო მუხტები იზიდავს, ქმნიან ეგრეთ წოდებულ წყალბადურ კავშირს.

ეს საშუალებას აძლევს წყალს ხშირ შემთხვევაში მოიქცეს განსხვავებულად, ვიდრე სხვა მარტივი სითხეები დაფიქსირდა. მაგალითად, სხვა ნივთიერებებისგან განსხვავებით, წყლის გარკვეული მასა უფრო მეტ ადგილს იკავებს მყარ მდგომარეობაში (ყინულის სახით), ვიდრე თხევად მდგომარეობაში, იმის გამო, რომ მისი მოლეკულები ქმნიან სპეციფიკურ რეგულარულ სტრუქტურას.კიდევ ერთი მაგალითია თხევადი წყლის ზედაპირული დაძაბულობა, რომელიც ორჯერ აღემატება სხვა არაპოლარულ, მარტივ სითხეებს.

წყალი საკმაოდ მარტივია, მაგრამ არა გადაჭარბებული. ეს ნიშნავს, რომ წყლის დამატებითი ფაზის ერთადერთი ახსნა, რომელიც გამოვლინდა, არის ის, რომ ის იქცევა ცოტათი თხევადი კრისტალივით. წყალბადის ბმები მოლეკულებს შორის ინარჩუნებს გარკვეულ წესრიგს დაბალ ტემპერატურაზე, მაგრამ ტემპერატურის მატებასთან ერთად შეიძლება სხვა, უფრო თავისუფალ მდგომარეობამდეც მივიდეს. ამით აიხსნება მნიშვნელოვანი გადახრები, რომლებიც მეცნიერებმა დააფიქსირეს კვლევის დროს.

თუ ეს დადასტურდა, ავტორთა დასკვნებს შეიძლება ბევრი გამოყენება ჰქონდეს. მაგალითად, თუ გარემოში ცვლილებები (ვთქვათ, ტემპერატურა) იწვევს ნივთიერების ფიზიკურ თვისებებში ცვლილებებს, თეორიულად ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას ხმის აღჭურვილობის შესაქმნელად. ან შეგიძლიათ უფრო ფუნდამენტურად მიუდგეთ - ბიოლოგიური სისტემები ძირითადად წყლისგან შედგება. როგორ ურთიერთქმედებენ ორგანული მოლეკულები (როგორიცაა ცილები) ერთმანეთთან, სავარაუდოდ დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ როგორ ქმნიან წყლის მოლეკულები თხევად ფაზას. თუ გესმით, როგორ იქცევიან წყლის მოლეკულები საშუალოდ სხვადასხვა ტემპერატურაზე, შეგიძლიათ განმარტოთ, როგორ ურთიერთქმედებენ ისინი ბიოლოგიურ სისტემებში.

ეს აღმოჩენა შესანიშნავი შესაძლებლობაა თეორეტიკოსებისა და ექსპერიმენტატორებისთვის, ასევე შესანიშნავი მაგალითი იმისა, რომ ყველაზე ნაცნობ ნივთიერებასაც კი შეუძლია საიდუმლოების დამალვა საკუთარ თავში.

როდრიგო ლედესმა აგილარი