Bilim adamları yeni bir su durumu keşfettiler

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Okuldaki fen derslerinde öğrendiğimiz temel şeylerden biri, suyun üç farklı durumda bulunabileceğidir: katı buz, sıvı su veya gaz halinde buhar. Ancak son zamanlarda, uluslararası bir bilim adamları ekibi, sıvı suyun aslında iki farklı eyalette var olabileceğine dair işaretler buldu.

Araştırma çalışmaları yürütürken - sonuçlar daha sonra Uluslararası Nanoteknoloji Dergisi'nde yayınlandı - bilim adamları beklenmedik bir şekilde 50 ila 60 ℃ sıcaklıkta suda bir takım özelliklerin değiştiğini keşfettiler. Suyun ikinci bir sıvı halinin olası varlığına dair bu işaret, bilim çevrelerinde hararetli bir tartışmaya yol açtı. Onaylanırsa, keşif, nanoteknoloji ve biyoloji dahil olmak üzere birçok alanda uygulamalar bulacaktır.

"Faz" olarak da adlandırılan toplu haller, atom ve molekül sistemleri teorisinin anahtar kavramıdır. Kabaca söylemek gerekirse, birçok molekülden oluşan bir sistem, toplam enerji miktarına bağlı olarak belirli sayıda konfigürasyon şeklinde organize edilebilir. Yüksek sıcaklıklarda (ve dolayısıyla daha yüksek bir enerji seviyesinde), moleküller için daha fazla sayıda konfigürasyon mevcuttur, yani daha az katı bir şekilde organize olurlar ve nispeten serbest hareket ederler (gaz fazı). Daha düşük sıcaklıklarda, moleküller daha az konfigürasyona sahiptir ve daha organize (sıvı) bir fazdadır. Sıcaklık daha da düşerse, belirli bir konfigürasyon alacak ve bir katı oluşturacaklar.

Bu, üç farklı duruma (sıvı, katı ve gaz) sahip olan karbon dioksit veya metan gibi nispeten basit moleküller için genel durumdur. Ancak daha karmaşık moleküllerin daha fazla sayıda olası konfigürasyonu vardır, bu da faz sayısının arttığı anlamına gelir. Organik moleküllerin komplekslerinden oluşan ve sıvılar gibi akabilen, ancak yine de katı kristal yapısını koruyan sıvı kristallerin ikili davranışı bunun mükemmel bir örneğidir.

Bir maddenin fazları moleküler konfigürasyonu tarafından belirlendiğinden, bir madde bir halden diğerine geçtiğinde birçok fiziksel özellik önemli ölçüde değişir. Yukarıda bahsedilen çalışmada, bilim adamları, normal atmosferik koşullar altında (suyun sıvı olması için) 0 ile 100 ℃ arasında suyun çeşitli kontrol özelliklerini ölçtüler. Beklenmedik bir şekilde, suyun yüzey gerilimi ve kırılma indisi (ışığın suda nasıl hareket ettiğini yansıtan indeks) gibi özelliklerde yaklaşık 50 ℃ sıcaklıkta çarpıcı farklılıklar buldular.

özel yapı

Bu nasıl mümkün olabilir? Su molekülü H₂O'nun yapısı çok ilginçtir ve oksijen atomunun üstte bulunduğu ve iki hidrojen atomunun ona yanlardan "eşlik ettiği" bir tür ok olarak gösterilebilir. Moleküllerdeki elektronlar asimetrik olarak dağılma eğilimindedir, bu nedenle molekül, hidrojen tarafına kıyasla oksijen tarafından negatif bir yük alır. Bu basit yapısal özellik, su moleküllerinin birbirleriyle belirli bir şekilde etkileşime girmeye başlamasına, zıt yüklerinin çekilmesine ve sözde bir hidrojen bağı oluşturmasına neden olur.

Bu, birçok durumda suyun diğer basit sıvıların gözlemlediğinden farklı davranmasına izin verir. Örneğin, diğer maddelerin çoğundan farklı olarak, belirli bir su kütlesi katı halde (buz şeklinde) sıvı halde olduğundan daha fazla yer kaplar, çünkü molekülleri belirli bir düzenli yapı oluşturur. Diğer bir örnek, diğer polar olmayan, daha basit sıvıların iki katı olan sıvı suyun yüzey gerilimidir.

Su oldukça basit, ama bunaltıcı değil. Bu, suyun kendini gösteren ek fazının tek açıklamasının, biraz sıvı kristal gibi davranması olduğu anlamına gelir. Moleküller arasındaki hidrojen bağları, düşük sıcaklıklarda belirli bir düzeni korur, ancak artan sıcaklıkla daha serbest bir duruma da gelebilirler. Bu, bilim adamları tarafından araştırma sırasında gözlemlenen önemli sapmaları açıklar.

Bu doğrulanırsa, yazarların vardığı sonuçların birçok kullanımı olabilir. Örneğin, ortamdaki değişiklikler (örneğin sıcaklık) bir maddenin fiziksel özelliklerinde değişiklikler gerektiriyorsa, teorik olarak bu, sondaj ekipmanı oluşturmak için kullanılabilir. Veya daha temelde yaklaşabilirsiniz - biyolojik sistemler esas olarak sudan oluşur. Organik moleküllerin (örneğin proteinler) birbirleriyle nasıl etkileştiği, su moleküllerinin sıvı fazı nasıl oluşturduğuna bağlı olabilir. Su moleküllerinin farklı sıcaklıklarda ortalama olarak nasıl davrandığını anlarsanız, biyolojik sistemlerde nasıl etkileştiklerini netleştirebilirsiniz.

Bu keşif, teorisyenler ve deneyciler için büyük bir fırsat olmasının yanı sıra en tanıdık maddenin bile kendi içinde sırlar saklayabildiğinin mükemmel bir örneğidir.

Rodrigo Ledesma Aguilar