Yksi perusteellisimmista asioista, joita meille opetetaan koulun luonnontieteissä, on, että vettä voi olla kolmessa eri tilassa, joko kiinteänä jäänä, nestemäisenä vedena tai höyrykaasuna. Mutta kansainvälinen tutkijaryhmä on äskettäin löytänyt merkkejä siitä, että nestemäistä vettä voi todella tulla kahdessa eri valtiossa.
Kirjoittamalla kokeellisessa lehdessä, joka julkaistiin International Journal of Nanotechnology -lehdessä, tutkijat olivat yllättyneitä siitä, että joukko veden fysikaalisia ominaisuuksia muutti käyttäytymistään välillä 50–60 ℃. Tämä merkki mahdollisesta muutoksesta toiseen nestemäiseen tilaan saattaa herättää kiihkeän keskustelun tiedeyhteisössä. Ja jos se vahvistetaan, sillä voi olla vaikutuksia monille aloille, mukaan lukien nanoteknologia ja biologia.
Ainetilat, joita kutsutaan myös ”vaiheiksi”, ovat avainkäsite tutkittaessa atomista ja molekyyleistä valmistettuja järjestelmiä. Karkeasti sanottuna monista molekyyleistä muodostettu järjestelmä voidaan järjestää tiettyyn määrään konfiguraatioita riippuen sen kokonaisenergiasta. Korkeammissa lämpötiloissa (ja siten korkeammat energiat) molekyyleillä on enemmän mahdollisia konfiguraatioita, joten ne ovat epäorgaanisempia ja voivat liikkua suhteellisen vapaasti (kaasufaasi). Alemmissa lämpötiloissa molekyyleillä on rajoitetumpi määrä konfiguraatioita ja ne muodostavat siten järjestäytyneemmän vaiheen (neste). Jos lämpötila laskee edelleen, ne järjestäytyvät hyvin erityiseen kokoonpanoon tuottaen kiinteän aineen.
Tämä kuva on yleinen suhteellisen yksinkertaisille molekyyleille, kuten hiilidioksidille tai metaanille, joilla on kolme kirkasta, eri tilaa (nestemäinen, kiinteä ja kaasu). Mutta monimutkaisemmille molekyyleille on suurempi määrä mahdollisia konfiguraatioita ja tämä aiheuttaa lisää vaiheita. Kaunis esimerkki tästä on nestekiteiden rikas käyttäytyminen, jotka muodostuvat monimutkaisista orgaanisista molekyyleistä ja voivat virrata kuin nesteet, mutta joilla on silti kiinteämäinen kiteinen rakenne
Koska aineen vaihe määritetään sen molekyylien konfiguroinnin perusteella, aineen monet fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat äkillisesti, kun se siirtyy tilasta toiseen. Äskettäisessä tutkimuksessa tutkijat mittasivat useita veden fyysisiä ominaisuuksia 0 - 100 ℃ lämpötiloissa normaaleissa ilmasto-olosuhteissa (eli vesi oli nestettä). Yllättäen he löysivät murtuman ominaisuuksissa, kuten veden pintajännitys ja sen taitekerroin (mitta siitä, kuinka valo kulkee sen läpi) noin 50 ℃: n lämpötilassa.
Miten tämä voi olla? Vesimolekyylin, H2O: n, rakenne on erittäin mielenkiintoinen ja se voidaan kuvata kuin eräänlainen nuolenkärki, jossa kaksi vetyatomia reunustavat happiatomia yläreunassa. Molekyylin elektronit pyrkivät jakautumaan melko epäsymmetrisesti, mikä tekee hapopuolen varautuneeksi negatiivisesti vedyn puolelle. Tämä yksinkertainen rakenneominaisuus johtaa eräänlaiseen vesimolekyylien väliseen vuorovaikutukseen, joka tunnetaan nimellä vety sidos, jossa vastakkaiset varaukset houkuttelevat toisiaan.
Tämä antaa veden ominaisuuksia, jotka monissa tapauksissa rikkovat muiden yksinkertaisten nesteiden havaitut suuntaukset. Esimerkiksi, toisin kuin useimmat muut aineet, kiinteä vesimassa vie enemmän tilaa kiinteänä aineena (jää) kuin (nestemäisenä) sen takia, että se molekyylit muodostavat tietyn säännöllisen rakenteen. Toinen esimerkki on nestemäisen veden pintajännitys, joka on suunnilleen kaksinkertainen muille ei-polaarisille, yksinkertaisemmille nesteille.
Vesi on riittävän yksinkertaista, mutta ei liian yksinkertaista. Tämä tarkoittaa, että yksi mahdollisuus selittää veden ilmeinen ylimääräinen faasi on, että se käyttäytyy vähän kuin nestekide. Molekyylien väliset vety sidokset pitävät jonkin verran järjestystä alhaisissa lämpötiloissa, mutta voivat lopulta kestää toisen, vähemmän järjestetyn nestefaasin korkeammissa lämpötiloissa. Tämä voisi selittää tutkijoiden havainnoimansa piikit tiedoissaan.
Jos vahvistetaan, kirjoittajien havainnoilla voi olla monia sovelluksia. Esimerkiksi, jos ympäristön muutokset (kuten lämpötila) aiheuttavat muutoksia aineen fysikaalisissa ominaisuuksissa, sitä voidaan mahdollisesti käyttää sovellusten havaitsemiseen. Ehkä perusteellisemmin, biologiset järjestelmät koostuvat pääosin vedestä. Se, kuinka biologiset molekyylit (kuten proteiinit) vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, todennäköisesti riippuu spesifisestä tavasta, jolla vesimolekyylit järjestävät nestemäisen faasin. Ymmärrys siitä, kuinka vesimolekyylit järjestäytyvät keskimäärin eri lämpötiloissa, voisivat saada selville miten ne toimivat vuorovaikutuksessa biologisissa järjestelmissä.
Löytö on jännittävä tilaisuus teoreetikoille ja kokeellisille ja kaunis esimerkki siitä, kuinka tutullakin aineella on edelleen salaisuuksia piilossa.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa. Lue alkuperäinen artikkeli.
