Գիտնականները ջրի նոր վիճակ են հայտնաբերել

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

Հիմնական բաներից մեկը, որ մենք սովորում ենք դպրոցում բնագիտության դասերին, այն է, որ ջուրը կարող է գոյություն ունենալ երեք տարբեր վիճակում՝ պինդ սառույց, հեղուկ ջուր կամ գազային գոլորշի: Սակայն վերջերս գիտնականների միջազգային թիմը նշաններ է հայտնաբերել, որ հեղուկ ջուր իրականում կարող է գոյություն ունենալ երկու տարբեր նահանգներում:

Հետազոտական աշխատանք կատարելիս, արդյունքները հետագայում հրապարակվեցին Նանոտեխնոլոգիայի միջազգային հանդեսում, գիտնականներն անսպասելիորեն պարզեցին, որ 50-ից 60 ℃ ջերմաստիճան ունեցող ջրի մեջ մի շարք հատկություններ փոխվում են: Ջրի երկրորդ հեղուկ վիճակի հնարավոր գոյության այս նշանը բուռն բանավեճ է առաջացրել գիտական շրջանակներում։ Եթե հաստատվի, ապա հայտնագործությունը կիրառություն կգտնի բազմաթիվ ոլորտներում, ներառյալ նանոտեխնոլոգիան և կենսաբանությունը:

Ատոմների և մոլեկուլների համակարգերի տեսության առանցքային հասկացությունն է ագրեգատային վիճակները, որոնք նաև կոչվում են «փուլեր»։ Կոպիտ ասած՝ բազմաթիվ մոլեկուլներից բաղկացած համակարգը կարող է կազմակերպվել որոշակի քանակի կոնֆիգուրացիաների տեսքով՝ կախված դրա ընդհանուր էներգիայի քանակից։ Բարձր ջերմաստիճաններում (և հետևաբար ավելի բարձր էներգիայի մակարդակում) մոլեկուլների համար հասանելի են ավելի մեծ թվով կոնֆիգուրացիաներ, այսինքն՝ դրանք ավելի քիչ կոշտ են կազմակերպված և համեմատաբար ազատ են շարժվում (գազային փուլ): Ավելի ցածր ջերմաստիճանի դեպքում մոլեկուլները ավելի քիչ կոնֆիգուրացիաներ ունեն և գտնվում են ավելի կազմակերպված (հեղուկ) փուլում: Եթե ջերմաստիճանն էլ ավելի ցածր իջնի, նրանք կընդունեն մեկ հստակ կոնֆիգուրացիա և կկազմեն պինդ:

Սա համեմատաբար պարզ մոլեկուլների ընդհանուր վիճակն է, ինչպիսիք են ածխաթթու գազը կամ մեթանը, որոնք ունեն երեք տարբեր վիճակներ (հեղուկ, պինդ և գազ): Բայց ավելի բարդ մոլեկուլներն ունեն ավելի մեծ թվով հնարավոր կոնֆիգուրացիաներ, ինչը նշանակում է, որ փուլերի թիվը մեծանում է: Դրա հիանալի օրինակը հեղուկ բյուրեղների երկակի վարքագիծն է, որոնք ձևավորվում են օրգանական մոլեկուլների բարդույթներից և կարող են հոսել հեղուկների պես, բայց դեռ պահպանում են ամուր բյուրեղային կառուցվածքը:

Քանի որ նյութի փուլերը որոշվում են նրա մոլեկուլային կոնֆիգուրացիայից, շատ ֆիզիկական հատկություններ կտրուկ փոխվում են, երբ նյութը անցնում է մի վիճակից մյուսը: Վերոհիշյալ ուսումնասիրության ընթացքում գիտնականները չափել են ջրի մի քանի հսկիչ հատկություններ 0-ից մինչև 100 ℃ ջերմաստիճանի նորմալ մթնոլորտային պայմաններում (այնպես, որ ջուրը հեղուկ է): Անսպասելիորեն նրանք հայտնաբերեցին այնպիսի հատկությունների կտրուկ տատանումներ, ինչպիսիք են ջրի մակերևութային լարվածությունը և բեկման ինդեքսը (ինդեքսը, որն արտացոլում է, թե ինչպես է լույսը անցնում ջրի միջով) մոտ 50 ℃ ջերմաստիճանում:

Հատուկ կառուցվածք

Ինչպե՞ս է դա հնարավոր: Ջրի մոլեկուլի՝ H2O-ի կառուցվածքը շատ հետաքրքիր է և կարելի է պատկերել որպես մի տեսակ սլաք, որտեղ թթվածնի ատոմը գտնվում է վերևում, իսկ կողքերից նրան «ուղեկցում են» ջրածնի երկու ատոմ։ Մոլեկուլներում էլեկտրոնները հակված են ասիմետրիկ բաշխման, ինչի պատճառով մոլեկուլը թթվածնի կողմից բացասական լիցք է ստանում ջրածնի կողմից: Այս պարզ կառուցվածքային առանձնահատկությունը հանգեցնում է նրան, որ ջրի մոլեկուլները սկսում են փոխազդել միմյանց հետ որոշակի ձևով, նրանց հակառակ լիցքերը ձգվում են՝ ձևավորելով այսպես կոչված ջրածնային կապ։

Սա թույլ է տալիս ջրի շատ դեպքերում այլ կերպ վարվել, քան մյուս պարզ հեղուկները: Օրինակ, ի տարբերություն շատ այլ նյութերի, ջրի որոշակի զանգվածը պինդ վիճակում (սառույցի տեսքով) ավելի շատ տեղ է զբաղեցնում, քան հեղուկ վիճակում, քանի որ դրա մոլեկուլները կազմում են որոշակի կանոնավոր կառուցվածք:Մեկ այլ օրինակ է հեղուկ ջրի մակերևութային լարվածությունը, որը երկու անգամ գերազանցում է այլ ոչ բևեռային, ավելի պարզ հեղուկներին:

Ջուրը բավականին պարզ է, բայց ոչ ճնշող: Սա նշանակում է, որ ջրի լրացուցիչ փուլի միակ բացատրությունն այն է, որ այն իրեն պահում է մի փոքր հեղուկ բյուրեղի նման: Մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերը ցածր ջերմաստիճաններում պահպանում են որոշակի կարգ, բայց ջերմաստիճանի բարձրացման դեպքում դրանք կարող են նաև հասնել մեկ այլ, ավելի ազատ վիճակի: Դրանով է բացատրվում հետազոտության ընթացքում գիտնականների նկատած զգալի շեղումները։

Եթե դա հաստատվի, հեղինակների եզրակացությունները կարող են բազմաթիվ կիրառումներ ունենալ: Օրինակ, եթե շրջակա միջավայրի փոփոխությունները (ասենք, ջերմաստիճանը) հանգեցնում են նյութի ֆիզիկական հատկությունների փոփոխություններին, տեսականորեն դա կարող է օգտագործվել ձայնային սարքավորումներ ստեղծելու համար: Կամ կարելի է ավելի հիմնովին մոտենալ դրան՝ կենսաբանական համակարգերը հիմնականում կազմված են ջրից։ Այն, թե ինչպես են օրգանական մոլեկուլները (օրինակ՝ սպիտակուցները) փոխազդում միմյանց հետ, հավանաբար կախված է նրանից, թե ինչպես են ջրի մոլեկուլները ձևավորում հեղուկ փուլը: Եթե հասկանում եք, թե ինչպես են ջրի մոլեկուլները միջինում իրենց պահում տարբեր ջերմաստիճաններում, կարող եք պարզաբանել, թե ինչպես են դրանք փոխազդում կենսաբանական համակարգերում:

Այս հայտնագործությունը հիանալի հնարավորություն է տեսաբանների և փորձարարների համար, ինչպես նաև հիանալի օրինակ այն բանի, որ նույնիսկ ամենահայտնի նյութը կարող է գաղտնիքներ թաքցնել իր ներսում։

Ռոդրիգո Լեդեսմա Ագիլար