Para saintis telah menemui keadaan air baru

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Salah satu perkara asas yang kita pelajari dalam kelas sains di sekolah ialah air boleh wujud dalam tiga keadaan berbeza: ais pepejal, air cecair atau wap gas. Tetapi baru-baru ini, pasukan saintis antarabangsa telah menemui tanda-tanda bahawa air cecair sebenarnya boleh wujud di dua negeri berbeza.

Semasa menjalankan kerja penyelidikan - hasilnya kemudiannya diterbitkan dalam Jurnal Antarabangsa Nanoteknologi - saintis tanpa diduga mendapati bahawa beberapa sifat berubah dalam air dengan suhu 50 hingga 60 ℃. Tanda kemungkinan wujudnya keadaan cecair kedua air ini telah mencetuskan perdebatan hangat dalam kalangan saintifik. Jika disahkan, maka penemuan itu akan menemui aplikasi dalam banyak bidang, termasuk nanoteknologi dan biologi.

Keadaan agregat, yang juga dipanggil "fasa", adalah konsep utama teori sistem atom dan molekul. Secara kasarnya, sistem yang terdiri daripada banyak molekul boleh disusun dalam bentuk beberapa konfigurasi bergantung kepada jumlah tenaganya. Pada suhu tinggi (dan oleh itu pada tahap tenaga yang lebih tinggi), lebih banyak konfigurasi tersedia untuk molekul, iaitu, ia kurang teratur dan bergerak secara relatif bebas (fasa gas). Pada suhu yang lebih rendah, molekul mempunyai konfigurasi yang lebih sedikit dan berada dalam fasa yang lebih teratur (cecair). Jika suhu jatuh lebih rendah, mereka akan menganggap satu konfigurasi yang pasti dan membentuk pepejal.

Ini adalah keadaan umum bagi molekul yang agak ringkas seperti karbon dioksida atau metana, yang mempunyai tiga keadaan yang berbeza (cecair, pepejal dan gas). Tetapi molekul yang lebih kompleks mempunyai bilangan konfigurasi yang mungkin lebih besar, yang bermaksud bahawa bilangan fasa meningkat. Ilustrasi yang sangat baik tentang ini ialah tingkah laku dwi kristal cecair, yang terbentuk daripada kompleks molekul organik dan boleh mengalir seperti cecair, tetapi masih mengekalkan struktur kristal pepejal.

Memandangkan fasa bahan ditentukan oleh konfigurasi molekulnya, banyak sifat fizikal berubah secara mendadak apabila bahan berpindah dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Dalam kajian yang disebutkan di atas, saintis mengukur beberapa sifat kawalan air antara 0 dan 100 ℃ di bawah keadaan atmosfera biasa (supaya air itu cair). Tanpa diduga, mereka menemui variasi dramatik dalam sifat seperti tegangan permukaan air dan indeks biasan (indeks yang mencerminkan cara cahaya bergerak melalui air) pada suhu kira-kira 50 ℃.

Struktur khas

Bagaimana ini boleh berlaku? Struktur molekul air, H₂O, sangat menarik dan boleh digambarkan sebagai sejenis anak panah, di mana atom oksigen terletak di bahagian atas, dan dua atom hidrogen "mengiringi" dari rusuk. Elektron dalam molekul cenderung untuk diedarkan secara tidak simetri, itulah sebabnya molekul menerima caj negatif dari bahagian oksigen berbanding dengan bahagian hidrogen. Ciri struktur mudah ini membawa kepada fakta bahawa molekul air mula berinteraksi antara satu sama lain dengan cara tertentu, caj bertentangan mereka menarik, membentuk ikatan hidrogen yang dipanggil.

Ini membolehkan air dalam banyak kes berkelakuan berbeza daripada apa yang diperhatikan oleh cecair mudah lain. Sebagai contoh, tidak seperti kebanyakan bahan lain, jisim air tertentu mengambil lebih banyak ruang dalam keadaan pepejal (dalam bentuk ais) daripada dalam keadaan cecair, disebabkan fakta bahawa molekulnya membentuk struktur tetap tertentu. Contoh lain ialah tegangan permukaan air cecair, iaitu dua kali ganda berbanding dengan cecair bukan kutub yang lebih ringkas.

Airnya agak mudah, tetapi tidak menggembirakan. Ini bermakna bahawa satu-satunya penjelasan untuk fasa tambahan air yang telah memanifestasikan dirinya ialah ia berkelakuan sedikit seperti kristal cecair. Ikatan hidrogen antara molekul mengekalkan susunan tertentu pada suhu rendah, tetapi ia juga boleh datang ke keadaan lain yang lebih bebas dengan peningkatan suhu. Ini menerangkan penyelewengan ketara yang diperhatikan oleh saintis semasa penyelidikan.

Jika ini disahkan, kesimpulan penulis mungkin mempunyai banyak kegunaan. Sebagai contoh, jika perubahan dalam persekitaran (katakan, suhu) melibatkan perubahan dalam sifat fizikal bahan, secara teorinya ini boleh digunakan untuk mencipta peralatan bunyi. Atau anda boleh mendekatinya secara lebih asas - sistem biologi terutamanya terdiri daripada air. Cara molekul organik (seperti protein) berinteraksi antara satu sama lain mungkin bergantung pada cara molekul air membentuk fasa cecair. Jika anda memahami bagaimana molekul air berkelakuan secara purata pada suhu yang berbeza, anda boleh menjelaskan cara ia berinteraksi dalam sistem biologi.

Penemuan ini merupakan peluang yang baik untuk ahli teori dan penguji, serta contoh yang sangat baik tentang fakta bahawa bahan yang paling biasa boleh menyembunyikan rahsia dalam dirinya sendiri.

Rodrigo Ledesma Aguilar