Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego szczegółowo zbadali strukturę wody jako cieczy i odkryli, że jej właściwości zależą od stosunku dwóch stanów fazowych.
Wszyscy wiedzą, że właściwości wody różnią się od większości cieczy: rozszerza się, gdy zamarza (dlatego lód jest lżejszy), gdy się kurczy, zmniejsza się jej lepkość i tak dalej. Te pozornie anomalne właściwości tłumaczy się nam w szkole obecnością wiązań wodorowych między cząsteczkami. Jednak szczegóły są nadal słabo poznane, chociaż temat jest niezwykle ważny zarówno dla chemii, jak i fizyki. Specyficzne właściwości wody wykorzystywane są także w medycynie i dyscyplinach technicznych.
Instytut Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego był w stanie dokonać postępów w zrozumieniu zjawiska struktury wody.
Woda w stanie ciekłym tworzy czworościenne struktury o charakterze lokalnym, które powstają za pomocą wiązań wodorowych - jest to znane od dawna. Japońscy naukowcy ustalili, że woda to nie tylko „woda nieuporządkowana”, w której unoszą się „cząsteczki” „czworościennej wody”: układ ma diagram stanu podobny do faz stałych.
Opracowano model, który traktuje wodę w stanie ciekłym jako system składający się z dwóch faz. Pierwszy to stan nieuporządkowany o wysokiej symetrii obrotowej. Mówiąc najprościej, jest to brak określonego wzoru w „kierunkach” cząsteczek w cieczy. Druga faza jest nie tylko uporządkowana tetraedrycznie, ale także termodynamicznie w stanie nierównowagi. Oddziaływanie tych stanów opisuje parametr lambda (λ), którego fizyczne znaczenie polega na ocenie względnej siły oddziaływań międzycząsteczkowych pary i potrójnej natury. To znaczy zwykle między dwiema wolnymi cząsteczkami i między cząsteczkami, które tworzą strukturę czworościenną. Odpowiednio, wzrost parametru λ wskazuje na wzrost uporządkowania systemu.
Ten model wygląda na prosty, ale dobrze przewiduje anormalne zachowanie wody jako cieczy.
Jeden z kierowników badań, John Russo, wyjaśnia: „… Wraz ze wzrostem λ czworościenne powłoki, które tworzą się wokół każdej cząsteczki, stają się bardziej stabilne energetycznie”. To rekompensuje zużycie energii potrzebne do zamówienia konstrukcji jako całości. Naukowcy, zmieniając λ, zamodelowali diagramy stanów fazowych, których struktura może być dość nieoczekiwana. Tak więc rysunek po lewej stronie przedstawia strukturę wody typu Si34 - powstaje pod podciśnieniem. Ponadto ma strukturę klatratową, to znaczy w rzeczywistości jest związkiem inkluzyjnym: niektóre cząsteczki wody znajdują się we wnękach struktury utworzonej przez inne jej cząsteczki.
Obraz struktury wody w stanie fazowym Si34 (po lewej) i diagram fazowy we współrzędnych λ / ciśnienie (po prawej) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.
Film promocyjny:
Ujawniona zależność nie jest liniowa, maksymalny wpływ na właściwości wody występuje przy λ = 23,15.
Hajime Tanaka, jeden z liderów projektu, zwrócił uwagę na ważną rolę badań w chemii fizycznej.
Zależność parametrów makroskopowych, takich jak lepkość, z mikroskopijnymi strukturami, uzyskanymi za pomocą stosunkowo prostego modelu, jest rzeczywiście ważnym osiągnięciem. Z praktycznego punktu widzenia zrozumienie struktury wody powinno pomóc w opracowaniu wydajnych filtrów dokładnych.
Anton Bugaychuk