นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสถานะใหม่ของน้ำ

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

สิ่งพื้นฐานอย่างหนึ่งที่เราเรียนรู้ในชั้นเรียนวิทยาศาสตร์ที่โรงเรียนคือน้ำสามารถมีอยู่ได้ในสามสถานะที่แตกต่างกัน: น้ำแข็งที่เป็นของแข็ง น้ำของเหลว หรือไอก๊าซ แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้ค้นพบสัญญาณว่าน้ำที่เป็นของเหลวสามารถมีอยู่จริงในสองสถานะที่แตกต่างกัน

ขณะทำการวิจัย ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในภายหลังใน International Journal of Nanotechnology นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบโดยไม่คาดคิดว่าคุณสมบัติหลายอย่างเปลี่ยนแปลงไปในน้ำที่อุณหภูมิ 50 ถึง 60 ℃ สัญญาณของการมีอยู่ที่เป็นไปได้ของสถานะของเหลวที่สองของน้ำนี้ได้จุดประกายการถกเถียงกันอย่างดุเดือดในแวดวงวิทยาศาสตร์ หากได้รับการยืนยันแล้ว การค้นพบนี้จะพบการใช้งานในหลาย ๆ ด้าน รวมทั้งนาโนเทคโนโลยีและชีววิทยา

สถานะรวม ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "เฟส" เป็นแนวคิดหลักของทฤษฎีระบบอะตอมและโมเลกุล กล่าวโดยคร่าว ๆ ระบบที่ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมากสามารถจัดอยู่ในรูปของการกำหนดค่าจำนวนหนึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานทั้งหมดของมัน ที่อุณหภูมิสูง (และด้วยเหตุนี้ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น) โมเลกุลจะมีการกำหนดค่าจำนวนมากขึ้น กล่าวคือ มีการจัดระเบียบที่เข้มงวดน้อยกว่าและเคลื่อนที่ค่อนข้างอิสระ (เฟสแก๊ส) ที่อุณหภูมิต่ำกว่า โมเลกุลจะมีการกำหนดค่าน้อยกว่าและอยู่ในสถานะที่เป็นระเบียบมากขึ้น (ของเหลว) หากอุณหภูมิลดลงไปอีก พวกเขาจะถือว่ามีการกำหนดค่าที่แน่นอนหนึ่งรูปแบบและก่อตัวเป็นของแข็ง

นี่เป็นสถานการณ์ทั่วไปสำหรับโมเลกุลที่ค่อนข้างง่าย เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือมีเทน ซึ่งมีสถานะแตกต่างกันสามสถานะ (ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ) แต่โมเลกุลที่ซับซ้อนกว่านั้นมีรูปแบบที่เป็นไปได้มากกว่า ซึ่งหมายความว่าจำนวนเฟสจะเพิ่มขึ้น ภาพประกอบที่ยอดเยี่ยมของสิ่งนี้คือพฤติกรรมคู่ของผลึกเหลว ซึ่งเกิดขึ้นจากสารเชิงซ้อนของโมเลกุลอินทรีย์และสามารถไหลได้เหมือนของเหลว แต่ยังคงโครงสร้างผลึกที่เป็นของแข็งไว้

เนื่องจากเฟสของสารถูกกำหนดโดยโครงร่างของโมเลกุล คุณสมบัติทางกายภาพหลายอย่างจึงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่อสารผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง ในการศึกษาดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ได้วัดคุณสมบัติการควบคุมหลายอย่างของน้ำระหว่าง 0 ถึง 100 ℃ ภายใต้สภาวะบรรยากาศปกติ (เพื่อให้น้ำเป็นของเหลว) โดยไม่คาดคิด พวกเขาพบการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในคุณสมบัติ เช่น แรงตึงผิวของน้ำและดัชนีการหักเหของแสง (ดัชนีที่สะท้อนว่าแสงเดินทางผ่านน้ำอย่างไร) ที่อุณหภูมิประมาณ 50 ℃

โครงสร้างพิเศษ

เป็นไปได้อย่างไร? โครงสร้างของโมเลกุลน้ำ H₂O นั้นน่าสนใจมากและสามารถพรรณนาได้ว่าเป็นลูกศรชนิดหนึ่ง โดยที่อะตอมออกซิเจนตั้งอยู่ด้านบนสุด และมีไฮโดรเจนสองอะตอม "มา" จากปีกข้าง อิเล็กตรอนในโมเลกุลมีแนวโน้มที่จะมีการกระจายแบบอสมมาตร ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้โมเลกุลได้รับประจุลบจากด้านออกซิเจนเมื่อเทียบกับด้านไฮโดรเจน ลักษณะโครงสร้างที่เรียบง่ายนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าโมเลกุลของน้ำเริ่มมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในทางใดทางหนึ่ง ประจุที่ตรงกันข้ามจะดึงดูดกัน ก่อตัวเป็นพันธะไฮโดรเจนที่เรียกว่า

วิธีนี้ทำให้น้ำในหลายกรณีมีพฤติกรรมแตกต่างจากที่ของเหลวทั่วไปอื่นๆ สังเกตเห็น ตัวอย่างเช่น ไม่เหมือนกับสารอื่น ๆ ส่วนใหญ่ น้ำจำนวนหนึ่งใช้พื้นที่ในสถานะของแข็ง (ในรูปของน้ำแข็ง) มากกว่าในสถานะของเหลว เนื่องจากโมเลกุลของมันก่อตัวเป็นโครงสร้างปกติที่เฉพาะเจาะจงอีกตัวอย่างหนึ่งคือแรงตึงผิวของน้ำที่เป็นของเหลว ซึ่งมากกว่าของเหลวอื่นๆ ที่ไม่มีขั้วและไม่มีขั้วถึง 2 เท่า

น้ำค่อนข้างเรียบง่าย แต่ไม่ท่วมท้น ซึ่งหมายความว่าคำอธิบายเดียวสำหรับเฟสเพิ่มเติมของน้ำที่แสดงออกคือมันทำตัวเหมือนผลึกเหลวเล็กน้อย พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลจะรักษาลำดับที่แน่นอนที่อุณหภูมิต่ำ แต่ก็สามารถเข้าสู่สถานะอื่นที่เป็นอิสระมากขึ้นด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น สิ่งนี้อธิบายการเบี่ยงเบนที่สำคัญที่สังเกตโดยนักวิทยาศาสตร์ระหว่างการวิจัย

หากสิ่งนี้ได้รับการยืนยัน ข้อสรุปของผู้เขียนอาจมีประโยชน์หลายประการ ตัวอย่างเช่น หากการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม (เช่น อุณหภูมิ) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติทางกายภาพของสาร ในทางทฤษฎี สามารถใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์เสียงได้ หรือคุณสามารถเข้าหามันโดยพื้นฐานกว่า - ระบบทางชีววิทยาประกอบด้วยน้ำเป็นส่วนใหญ่ วิธีที่โมเลกุลอินทรีย์ (เช่น โปรตีน) มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันนั้นขึ้นอยู่กับว่าโมเลกุลของน้ำก่อตัวเป็นเฟสของเหลวอย่างไร หากคุณเข้าใจว่าโมเลกุลของน้ำมีพฤติกรรมโดยเฉลี่ยอย่างไรที่อุณหภูมิต่างกัน คุณสามารถชี้แจงได้ว่าโมเลกุลของน้ำมีปฏิกิริยาอย่างไรในระบบทางชีววิทยา

การค้นพบนี้เป็นโอกาสที่ดีสำหรับนักทฤษฎีและนักทดลอง ตลอดจนตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของข้อเท็จจริงที่ว่าแม้แต่สารที่คุ้นเคยที่สุดก็สามารถซ่อนความลับภายในตัวมันเองได้

โรดริโก เลเดสมา อากีลาร์