Ғалымдар судың жаңа күйін анықтады

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Мектептегі жаратылыстану сабақтарында үйренетін негізгі нәрселердің бірі судың үш түрлі күйде болуы мүмкін: қатты мұз, сұйық су немесе газ тәрізді бу. Бірақ жақында халықаралық ғалымдар тобы сұйық судың екі түрлі күйде болуы мүмкін екендігінің белгілерін тапты.

Зерттеу жұмыстарын жүргізу кезінде - нәтижелері кейінірек халықаралық нанотехнология журналында жарияланды - ғалымдар күтпеген жерден 50-ден 60 ℃ температураға дейін суда бірқатар қасиеттердің өзгеретінін анықтады. Судың екінші сұйық күйінің болуы мүмкін екендігінің бұл белгісі ғылыми ортада қызу пікірталас тудырды. Егер расталса, жаңалық көптеген салаларда, соның ішінде нанотехнология мен биологияда қолданбаларды табады.

Агрегатты күйлер, оларды «фазалар» деп те атайды, атомдар мен молекулалар жүйесі теориясының негізгі концепциясы болып табылады. Шамамен айтқанда, көптеген молекулалардан тұратын жүйе оның жалпы энергия мөлшеріне байланысты белгілі бір конфигурациялар саны түрінде ұйымдастырылуы мүмкін. Жоғары температурада (демек, жоғары энергетикалық деңгейде) молекулалар үшін конфигурациялардың көп саны бар, яғни олар азырақ қатаң ұйымдастырылған және салыстырмалы түрде еркін қозғалады (газ фазасы). Төменгі температурада молекулалар аз конфигурацияға ие және неғұрлым ұйымдасқан (сұйық) фазада болады. Температура одан да төмен түссе, олар белгілі бір конфигурацияны қабылдайды және қатты денені құрайды.

Бұл үш түрлі күйге (сұйық, қатты және газ) ие көмірқышқыл газы немесе метан сияқты салыстырмалы қарапайым молекулалардың жалпы жағдайы. Бірақ күрделірек молекулаларда мүмкін болатын конфигурациялар саны көбірек болады, яғни фазалар саны артады. Мұның тамаша көрінісі - органикалық молекулалардың кешендерінен түзілетін және сұйықтар сияқты ағып кетуі мүмкін, бірақ әлі де қатты кристалдық құрылымды сақтайтын сұйық кристалдардың қос әрекеті.

Заттың фазалары оның молекулалық конфигурациясымен анықталатындықтан, зат бір күйден екінші күйге өткенде көптеген физикалық қасиеттер күрт өзгереді. Жоғарыда аталған зерттеуде ғалымдар қалыпты атмосфералық жағдайларда (су сұйық болуы үшін) 0 және 100 ℃ аралығындағы судың бірнеше бақылау қасиеттерін өлшеген. Күтпеген жерден олар шамамен 50 ℃ температурада судың беттік керілуі және сыну көрсеткіші (жарықтың су арқылы қалай өтетінін көрсететін көрсеткіш) сияқты қасиеттердің күрт өзгеруін тапты.

Арнайы құрылым

Бұл қалай болады? Су молекуласының H₂O құрылымы өте қызықты және оны жебенің бір түрі ретінде бейнелеуге болады, онда оттегі атомы жоғарғы жағында орналасқан және екі сутегі атомы оны қапталдан «ілесіп жүреді». Молекулалардағы электрондар асимметриялы түрде таралады, сондықтан молекула сутегі жағымен салыстырғанда оттегі жағынан теріс заряд алады. Бұл қарапайым құрылымдық ерекшелік су молекулаларының бір-бірімен белгілі бір жолмен әрекеттесе бастайтынына әкеледі, олардың қарама-қарсы зарядтары тартылып, сутектік байланыс деп аталады.

Бұл көптеген жағдайларда судың басқа қарапайым сұйықтықтар бақылағанынан басқаша әрекет етуіне мүмкіндік береді. Мысалы, басқа заттардың көпшілігінен айырмашылығы, судың белгілі бір массасы сұйық күйге қарағанда қатты күйде (мұз түрінде) көбірек орын алады, өйткені оның молекулалары белгілі бір заңды құрылымды құрайды. Тағы бір мысал сұйық судың беттік керілуі, ол басқа полюссіз, қарапайым сұйықтықтардан екі есе жоғары.

Су өте қарапайым, бірақ қатты емес. Бұл судың өзін көрсеткен қосымша фазасының жалғыз түсіндірмесі оның сұйық кристалға ұқсайтынын білдіреді. Молекулалар арасындағы сутегі байланыстары төмен температурада белгілі бір тәртіпті сақтайды, бірақ олар температураның жоғарылауымен басқа, неғұрлым еркін күйге де келе алады. Бұл ғалымдардың зерттеу барысында байқалған елеулі ауытқуларын түсіндіреді.

Егер бұл расталса, авторлардың тұжырымдары көп мақсатқа ие болуы мүмкін. Мысалы, егер қоршаған ортаның өзгеруі (айталық, температура) заттың физикалық қасиеттерінің өзгеруіне әкеп соқтырса, теориялық тұрғыдан оны дыбыстық жабдықты жасау үшін пайдалануға болады. Немесе оған түбегейлі жақындауға болады - биологиялық жүйелер негізінен судан тұрады. Органикалық молекулалардың (белоктар сияқты) бір-бірімен әрекеттесуі су молекулаларының сұйық фазаны қалай құрайтынына байланысты болуы мүмкін. Егер сіз су молекулаларының әртүрлі температурада орта есеппен қалай әрекет ететінін түсінсеңіз, олардың биологиялық жүйелерде қалай әрекеттесетінін түсіндіре аласыз.

Бұл жаңалық теоретиктер мен экспериментаторлар үшін тамаша мүмкіндік, сонымен қатар ең таныс субстанцияның өзінде құпияларды жасыра алатынының тамаша мысалы.

Родриго Ледесма Агилар