Unul dintre cele mai de bază lucruri pe care ni le predăm în orele de știință școlară este că apa poate exista în trei stări diferite, fie ca gheață solidă, apă lichidă sau gaze vaporoase. Dar o echipă internațională de oameni de știință a găsit recent semne că apa lichidă ar putea de fapt să vină în două state diferite.
Scriind într-o lucrare experimentală, publicată în Jurnalul Internațional de Nanotehnologie, cercetătorii au fost surprinși să constate că o serie de proprietăți fizice ale apei își schimbă comportamentul între 50 ℃ și 60 ℃. Acest semn al unei potențiale schimbări la oa doua stare lichidă ar putea provoca o discuție aprinse în comunitatea științifică. Și, dacă se confirmă, ar putea avea implicații pentru o serie de domenii, inclusiv nanotehnologie și biologie.
Statele de materie, numite și „faze”, sunt un concept cheie în studiul sistemelor formate din atomi și molecule. Aproximativ vorbind, un sistem format din multe molecule poate fi aranjat într-un anumit număr de configurații, în funcție de energia sa totală. La temperaturi mai ridicate (și deci energii mai mari), moleculele au mai multe configurații posibile și astfel sunt mai dezorganizate și se pot deplasa relativ liber (faza gazoasă). La temperaturi mai scăzute, moleculele au un număr mai limitat de configurații și astfel formează o fază mai ordonată (un lichid). Dacă temperatura scade mai departe, ele se aranjează într-o configurație foarte specifică, producând un solid.
Această imagine este comună pentru moleculele relativ simple, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul, care au trei stări clare și diferite (lichid, solid și gaz). Dar pentru molecule mai complexe, există un număr mai mare de configurații posibile și acest lucru dă naștere la mai multe faze. O ilustrare frumoasă în acest sens este comportamentul bogat al cristalelor lichide, care sunt formate din molecule organice complexe și pot curge ca lichide, dar au încă o structură cristalină solidă
Deoarece faza unei substanțe este determinată de modul în care sunt configurate moleculele sale, multe proprietăți fizice ale acestei substanțe se vor schimba brusc pe măsură ce trece de la o stare la alta. În lucrarea recentă, cercetătorii au măsurat mai multe proprietăți fizice ale apei la temperaturi cuprinse între 0 ℃ și 100 ℃ în condiții atmosferice normale (ceea ce înseamnă că apa era un lichid). În mod surprinzător, au descoperit proprietăți precum tensiunea de suprafață a apei și indicele de refracție (o măsură a luminii care circulă prin ea) la aproximativ 50 ℃.
Cum poate fi aceasta? Structura unei molecule de apă, H2O, este foarte interesantă și poate fi reprezentată ca un fel de vârf de săgeată, cei doi atomi de hidrogen flancând atomul de oxigen în vârf. Electronii din moleculă tind să fie distribuiți într-un mod destul de asimetric, ceea ce face ca partea de oxigen să fie încărcată negativ în raport cu partea de hidrogen. Această caracteristică structurală simplă duce la un fel de interacțiune între moleculele de apă cunoscute sub numele de legături de hidrogen, în care încărcările opuse se atrag reciproc.
Aceasta dă proprietăți apei care, în multe cazuri, încalcă tendințele observate pentru alte lichide simple. De exemplu, spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe, o masă fixă de apă ocupă mai mult spațiu ca solid (gheață) decât ca (lichid) din cauza modului în care moleculele formează o structură regulată specifică. Un alt exemplu este tensiunea de suprafață a apei lichide, care este aproximativ de două ori mai mare decât a altor lichide nepolare, mai simple.
Apa este suficient de simplă, dar nu prea simplă. Aceasta înseamnă că o posibilitate pentru a explica faza suplimentară aparentă a apei este aceea că se comportă puțin ca un cristal lichid. Legăturile de hidrogen dintre molecule păstrează o anumită ordine la temperaturi scăzute, dar în cele din urmă ar putea dura o a doua fază lichidă mai puțin ordonată la temperaturi mai ridicate. Acest lucru ar putea explica legăturile observate de cercetători în datele lor.
Dacă se confirmă, concluziile autorilor ar putea avea multe aplicații. De exemplu, dacă schimbările din mediu (cum ar fi temperatura) provoacă modificări ale proprietăților fizice ale unei substanțe, atunci aceasta poate fi folosită pentru aplicații de detectare. Poate mai fundamental, sistemele biologice sunt făcute în cea mai mare parte din apă. Modul în care moleculele biologice (cum ar fi proteinele) interacționează între ele depinde probabil de modul specific în care moleculele de apă aranjează să formeze o fază lichidă. Înțelegerea modului în care moleculele de apă se aranjează în medie la diferite temperaturi ar putea arunca lumină asupra modului în care interacționează în sistemele biologice.
Descoperirea este o oportunitate interesantă pentru teoreticieni și experimentaliști și un exemplu frumos despre cum chiar și cea mai cunoscută substanță mai are secrete ascunse în interior.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation. Citiți articolul original.
