Forskare vid University of Tokyo har studerat i detalj strukturen hos vatten som en vätska och funnit att dess egenskaper beror på förhållandet mellan tvåfasstillstånd.
Alla vet att egenskaperna hos vatten skiljer sig från de flesta vätskor: det expanderar när det fryser (därför är isen lättare), när det dras samman, minskar viskositeten och så vidare. Dessa till synes anomala egenskaper förklaras för oss i skolan genom närvaron av vätebindningar mellan molekyler. Detaljerna är dock fortfarande dåligt förstådda, även om ämnet är extremt viktigt för både kemi och fysik. De specifika egenskaperna hos vatten används också inom medicin och tekniska discipliner.
Institutet för industriell vetenskap vid University of Tokyo kunde avancera för att förstå fenomenet med vattenstrukturen.
Vatten i flytande tillstånd bildar tetraedriska strukturer av lokal karaktär, som bildas med hjälp av vätebindningar - detta har varit känt länge. Japanska forskare har bestämt att vatten inte bara är "orört vatten" där "partiklar" av "tetraedriskt vatten" flyter: systemet har ett tillståndsdiagram som liknar fasta faser.
En modell har utvecklats som betraktar flytande vatten som ett system som består av två faser. Den första är ett oroligt tillstånd med hög rotationssymmetri. Enkelt uttryckt är detta frånvaron av något bestämt mönster i "riktningar" för molekyler i en vätska. Den andra fasen ordnas inte bara tetraederiskt utan också termodynamiskt i ett icke-jämviktstillstånd. Samspelet mellan dessa tillstånd beskrivs av lambdaparametern (λ), vars fysiska betydelse är en bedömning av den relativa styrkan av intermolekylära interaktioner av ett par och trippel natur. Det vill säga det vanliga mellan två fria molekyler och mellan de molekyler som utgör den tetraedriska strukturen. Följaktligen indikerar en ökning av parametern A en ökning av systemets ordning.
Denna modell ser enkel ut, men den förutsäger väl det onormala beteendet hos vatten som en vätska.
En av ledarna för studien, John Russo, förklarar: "När λ ökar blir de tetraedriska skalen som bildas runt varje molekyl energiskt mer stabila." Detta kompenserar för energiförbrukningen för att beställa strukturen som helhet. Forskare, som byter λ, har modellerat fas-tillståndsdiagram, vars struktur kan vara ganska oväntad. Så, figuren till vänster visar strukturen för vatten av Si34-typen - den bildas under undertryck. Dessutom är dess struktur klatrat, det vill säga det är en inklusionsförening: några av vattenmolekylerna finns i håligheterna i strukturen som bildas av dess andra molekyler.
Bild av vattenstrukturen i fasläget Si34 (vänster) och fasdiagrammet i koordinaterna λ / tryck (höger) / Institute of Industrial Science, University of Tokyo.
Kampanjvideo:
Det avslöjade beroendet är inte linjärt, den maximala effekten på vattnets egenskaper uppträder vid λ = 23,15.
Hajime Tanaka, en av projektledarna, noterade forskningens viktiga roll i fysisk kemi.
Förhållandet mellan makroskopiska parametrar såsom viskositet och mikroskopiska strukturer, framställda med en relativt enkel modell, är verkligen en viktig prestation. Ur en praktisk synvinkel bör förståelsen av vattenstrukturen hjälpa till med utvecklingen av effektiva fina filter.
Anton Bugaychuk
