Eines der grundlegenden Dinge, die wir im naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule lernen, ist, dass Wasser in drei verschiedenen Zuständen existieren kann: festes Eis, flüssiges Wasser oder gasförmiger Dampf. Kürzlich hat ein internationales Wissenschaftlerteam Anzeichen dafür gefunden, dass flüssiges Wasser tatsächlich in zwei verschiedenen Staaten existieren kann.
Während der Durchführung von Forschungsarbeiten - die Ergebnisse wurden später im International Journal of Nanotechnology veröffentlicht - entdeckten Wissenschaftler unerwartet, dass sich eine Reihe von Eigenschaften in Wasser mit einer Temperatur von 50 bis 60 ° C ändern. Dieses Zeichen für die mögliche Existenz eines zweiten flüssigen Wasserzustands hat in wissenschaftlichen Kreisen eine hitzige Debatte ausgelöst. Wenn dies bestätigt wird, findet die Entdeckung in vielen Bereichen Anwendung. Wenn dies bestätigt wird, wird die Entdeckung in vielen Bereichen Anwendung finden, einschließlich Nanotechnologie und Biologie.
Aggregatzustände, auch "Phasen" genannt, sind das Schlüsselkonzept der Theorie der Systeme von Atomen und Molekülen. Grob gesagt kann ein System, das aus vielen Molekülen besteht, in Form einer bestimmten Anzahl von Konfigurationen in Abhängigkeit von seiner Gesamtenergiemenge organisiert werden. Bei hohen Temperaturen (und damit bei einem höheren Energieniveau) stehen Molekülen eine größere Anzahl von Konfigurationen zur Verfügung, dh sie sind weniger starr organisiert und bewegen sich relativ frei (Gasphase). Bei niedrigeren Temperaturen haben Moleküle weniger Konfigurationen und befinden sich in einer besser organisierten (flüssigen) Phase. Wenn die Temperatur noch weiter sinkt, nehmen sie eine bestimmte Konfiguration an und bilden einen Feststoff.
Dies ist der allgemeine Stand der Dinge für relativ einfache Moleküle wie Kohlendioxid oder Methan, die drei unterschiedliche Zustände aufweisen (flüssig, fest und gasförmig). Komplexere Moleküle weisen jedoch eine größere Anzahl möglicher Konfigurationen auf, was bedeutet, dass die Anzahl der Phasen zunimmt. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist das Doppelverhalten von Flüssigkristallen, die aus Komplexen organischer Moleküle gebildet werden und wie Flüssigkeiten fließen können, aber dennoch eine feste Kristallstruktur beibehalten.
Da die Phasen einer Substanz durch ihre molekulare Konfiguration bestimmt werden, ändern sich viele physikalische Eigenschaften dramatisch, wenn eine Substanz von einem Zustand in einen anderen übergeht. In der oben genannten Studie haben die Wissenschaftler verschiedene Kontrolleigenschaften von Wasser zwischen 0 und 100 ° C unter normalen atmosphärischen Bedingungen gemessen (so dass Wasser flüssig ist). Unerwarteterweise fanden sie dramatische Variationen in Eigenschaften wie der Oberflächenspannung von Wasser und dem Brechungsindex (dem Index, der widerspiegelt, wie Licht durch Wasser wandert) bei etwa 50 ° C.
Spezielle Struktur
Wie ist das möglich? Die Struktur des Wassermoleküls H₂O ist sehr interessant und kann als eine Art Pfeil dargestellt werden, bei dem sich das Sauerstoffatom oben befindet und zwei Wasserstoffatome es von den Flanken "begleiten". Elektronen in Molekülen neigen dazu, asymmetrisch verteilt zu sein, weshalb das Molekül von der Sauerstoffseite im Vergleich zur Wasserstoffseite eine negative Ladung erhält. Dieses einfache Strukturmerkmal führt dazu, dass Wassermoleküle auf bestimmte Weise miteinander zu interagieren beginnen, ihre entgegengesetzten Ladungen sich anziehen und die sogenannte Wasserstoffbrücke bilden.
Werbevideo:
Dadurch kann sich Wasser in vielen Fällen anders verhalten als andere einfache Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu den meisten anderen Substanzen nimmt beispielsweise eine bestimmte Wassermasse in festem Zustand (in Form von Eis) mehr Platz ein als in flüssigem Zustand, da ihre Moleküle eine bestimmte regelmäßige Struktur bilden. Ein weiteres Beispiel ist die Oberflächenspannung von flüssigem Wasser, die doppelt so hoch ist wie die anderer unpolarer, einfacherer Flüssigkeiten.
Das Wasser ist ziemlich einfach, aber nicht überwältigend. Dies bedeutet, dass die einzige Erklärung für die zusätzliche Phase des Wassers, die sich manifestiert hat, darin besteht, dass es sich ein wenig wie ein Flüssigkristall verhält. Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen behalten bei niedrigen Temperaturen eine bestimmte Ordnung bei, können aber mit zunehmender Temperatur auch in einen anderen, freieren Zustand gelangen. Dies erklärt die signifikanten Abweichungen, die Wissenschaftler während der Forschung beobachtet haben.
Wenn alles bestätigt ist, können die Schlussfolgerungen der Autoren viele Verwendungen finden. Wenn beispielsweise Änderungen der Umgebung (z. B. der Temperatur) Änderungen der physikalischen Eigenschaften eines Stoffes zur Folge haben, kann dies theoretisch verwendet werden, um Schallgeräte zu erstellen. Oder Sie können es grundlegender angehen - biologische Systeme bestehen hauptsächlich aus Wasser. Wie organische Moleküle (wie Proteine) miteinander interagieren, hängt wahrscheinlich davon ab, wie die Wassermoleküle die flüssige Phase bilden. Wenn wir verstehen, wie sich Wassermoleküle im Durchschnitt bei unterschiedlichen Temperaturen verhalten, können wir klären, wie sie in biologischen Systemen interagieren.
Diese Entdeckung ist eine großartige Gelegenheit für Theoretiker und Experimentatoren und auch ein großartiges Beispiel dafür, dass selbst die bekannteste Substanz Geheimnisse in sich verbergen kann.