Forskere ved University of Tokyo har studert detaljene strukturen til vann som en væske og funnet at dens egenskaper avhenger av forholdet mellom to fasetilstander.
Alle vet at egenskapene til vann er forskjellige fra de fleste væsker: det utvides når det fryser (derfor er isen lettere), når det trekker seg sammen, reduseres viskositeten, og så videre. Disse tilsynelatende avvikende egenskapene blir forklart oss i skolen ved tilstedeværelsen av hydrogenbindinger mellom molekyler. Imidlertid er detaljene fortsatt dårlig forstått, selv om temaet er ekstremt viktig for både kjemi og fysikk. De spesifikke egenskapene til vann brukes også i medisin og tekniske fagområder.
Institutt for industrielle vitenskaper ved University of Tokyo var i stand til å utvikle seg i å forstå fenomenet med vannstrukturen.
Vann i flytende tilstand danner tetraedrale strukturer av lokal karakter, som dannes ved hjelp av hydrogenbindinger - dette har vært kjent i lang tid. Japanske forskere har bestemt at vann ikke bare er "uordnet vann" der "partikler" av "tetraedrisk vann" flyter: systemet har et tilstandsdiagram som ligner på faste faser.
Det er utviklet en modell som anser flytende vann som et system som består av to faser. Den første er en uordnet tilstand med høy rotasjonssymmetri. Enkelt sagt, dette er fraværet av noe bestemt mønster i "retningene" av molekyler i en væske. Den andre fasen er ikke bare tetraedrisk ordnet, men også termodynamisk i en tilstand uten likevekt. Samspillet mellom disse tilstandene er beskrevet av lambda-parameteren (λ), hvis fysiske betydning er en vurdering av den relative styrken av intermolekylære interaksjoner av et par og tredobbelt natur. Det vil si det vanlige mellom to frie molekyler og mellom molekylene som utgjør en tetrahedral struktur. Følgelig indikerer en økning i parameteren A en økning i systemrekkefølgen.
Denne modellen ser enkel ut, men den forutsier godt den unormale oppførselen til vann som væske.
En av lederne av studien, John Russo, forklarer: "… Når λ øker, blir tetraederskallene som dannes rundt hvert molekyl energisk mer stabile." Dette kompenserer for energiforbruket for å bestille strukturen som helhet. Forskere, som skifter λ, har modellerte fasediagrammer, hvis struktur kan være ganske uventet. Så, figuren til venstre viser strukturen til vann av typen Si34 - den er dannet under undertrykk. Dessuten er dens struktur klatrat, det vil si at den er en inklusjonsforbindelse: noen av vannmolekylene er i hulrommene i strukturen dannet av dens andre molekyler.
Bilde av vannets struktur i fasetilstanden Si34 (til venstre) og fasediagrammet i koordinatene λ / trykk (til høyre) / Institute of Industrial Science, University of Tokyo.
Kampanjevideo:
Den avslørte avhengigheten er ikke lineær, den maksimale effekten på vannets egenskaper forekommer ved λ = 23,15.
Hajime Tanaka, en av prosjektlederne, bemerket den viktige rollen som forskning i fysisk kjemi har.
Forholdet mellom makroskopiske parametere som viskositet til mikroskopiske strukturer, produsert ved hjelp av en relativt enkel modell, er virkelig en viktig prestasjon. Fra et praktisk synspunkt bør forståelse av vannstrukturen hjelpe utviklingen av effektive fine filtre.
Anton Bugaychuk
