Forskere ved University of Tokyo har studeret detaljeret strukturen af vand som en væske og fundet, at dets egenskaber afhænger af forholdet mellem to fasetilstande.
Alle ved, at vandets egenskaber er forskellige fra de fleste væsker: det udvides, når det fryser (derfor er is lettere), når det trækker sig sammen, falder dets viskositet osv. Disse tilsyneladende anomale egenskaber forklares for os i skolen ved tilstedeværelsen af hydrogenbindinger mellem molekyler. Dog er detaljerne stadig dårligt forstået, selvom emnet er yderst vigtigt for både kemi og fysik. De specifikke egenskaber ved vand bruges også i medicin og tekniske discipliner.
Institut for Industriel Videnskab ved University of Tokyo var i stand til at udvikle fænomenet med vandstrukturen.
Vand i flydende tilstand danner tetraedriske strukturer af lokal karakter, som dannes ved hjælp af hydrogenbindinger - dette har været kendt i lang tid. Japanske forskere har bestemt, at vand ikke kun er "uordnet vand", hvor "partikler" af "tetraedrisk vand" flyder: systemet har et tilstandsdiagram svarende til faste faser.
Der er udviklet en model, der betragter flydende vand som et system, der består af to faser. Den første er en uordnet tilstand med høj rotationssymmetri. Kort sagt, dette er fraværet af et bestemt mønster i "retninger" af molekyler i en væske. Den anden fase er ikke kun ordnet tetraedrisk, men også termodynamisk i en ikke-ligevægtstilstand. Interaktionen mellem disse tilstande er beskrevet af lambda-parameteren (λ), hvis fysiske betydning er en vurdering af den relative styrke af intermolekylære interaktioner af et par og tredobbelt natur. Det vil sige den sædvanlige mellem to frie molekyler og mellem de molekyler, der udgør en tetraedrisk struktur. Følgelig indikerer en stigning i parameteren A en stigning i systemets rækkefølge.
Denne model ser enkel ud, men den forudsiger godt den unormale opførsel af vand som en væske.
En af lederne af undersøgelsen, John Russo, forklarer: "… Efterhånden som λ øges, bliver de tetraedriske skaller, der dannes omkring hvert molekyle energisk mere stabile." Dette kompenserer for energiforbruget ved bestilling af strukturen som helhed. Forskere, der skifter λ, har modellerede fasediagrammer, hvis struktur kan være ret uventet. Så figuren til venstre viser vandstrukturen af Si34-typen - den dannes under negativt tryk. Desuden er dens struktur clathrat, det er faktisk en inklusionsforbindelse: nogle af vandmolekylerne er i hulrummene i strukturen dannet af dens andre molekyler.
Billede af vandets struktur i fasetilstanden Si34 (til venstre) og fasediagrammet i koordinater λ / tryk (til højre) / Institut for Industriel Videnskab, University of Tokyo.
Salgsfremmende video:
Den afslørede afhængighed er ikke lineær, den maksimale effekt på vandets egenskaber forekommer ved λ = 23,15.
Hajime Tanaka, en af projektlederne, bemærkede den vigtige rolle, som forskning spiller i fysisk kemi.
Forholdet mellem makroskopiske parametre såsom viskositet og mikroskopiske strukturer, produceret ved hjælp af en relativt enkel model, er virkelig en vigtig bedrift. Fra et praktisk synspunkt bør forståelse af vandets struktur hjælpe med udviklingen af effektive fine filtre.
Anton Bugaychuk