Üks kõige põhilisemaid asju, mida meile kooli loodusteaduste tundides õpetatakse, on see, et vesi võib esineda kolmes erinevas olekus, kas tahke jää, vedela vee või aurugaasina. Kuid rahvusvaheline teadlaste meeskond leidis hiljuti märke, et vedel vesi võib tegelikult tulla kahes erinevas riigis.
Rahvusvahelises nanotehnoloogia ajakirjas avaldatud eksperimentaalses artiklis kirjutades leidsid teadlased üllatuse, et mitmed vee füüsikalised omadused muudavad nende käitumist vahemikus 50–60 ℃. See märk teise vedela oleku võimalikust muutumisest võib tekitada teadusringkondades tulise arutelu. Ja kui see kinnitatakse, võib sellel olla mõju paljudele valdkondadele, sealhulgas nanotehnoloogia ja bioloogia.
Aine olekud, mida nimetatakse ka „faasideks“, on võtmekontseptsioon aatomitest ja molekulidest valmistatud süsteemide uurimisel. Ligikaudu öeldes võib paljudest molekulidest moodustatud süsteemi paigutada teatud arvu konfiguratsioonidesse, sõltuvalt selle koguenergiast. Kõrgematel temperatuuridel (ja seetõttu ka kõrgematel energiatel) on molekulidel rohkem võimalikke konfiguratsioone, mistõttu nad on vähem dekor-neerunud ja saavad suhteliselt vabalt liikuda (gaasifaas). Madalamatel temperatuuridel on molekulidel piiratud arv konfiguratsioone ja seega moodustuvad paremini järjestatud faas (vedelik). Kui temperatuur langeb veelgi, korraldavad nad end väga spetsiifilises konfiguratsioonis, saades tahke aine.
See pilt on tavaline suhteliselt lihtsate molekulide, näiteks süsinikdioksiidi või metaani puhul, millel on kolm selget erinevat olekut (vedel, tahke ja gaasiline). Kuid keerukamate molekulide jaoks on suurem arv võimalikke konfiguratsioone ja see põhjustab rohkem faase. Selle ilusaks näiteks on vedelkristallide rikkalik käitumine, mis moodustuvad keerukatest orgaanilistest molekulidest ja võivad voolata nagu vedelikud, kuid millel on siiski tahke kristalliline struktuur
Kuna aine faasi määrab selle molekulide konfiguratsioon, muutuvad selle aine paljud füüsikalised omadused ülalt olekust teise liikudes. Hiljutises artiklis mõistsid teadlased tavalise atmosfääri tingimustes (st vesi oli vedelik) temperatuurivahemikus 0 ℃ kuni 100 ℃ mitmeid vee füüsilisi omadusi. Üllatavalt leidsid nad temperatuuril 50 ℃ selliste omaduste nagu vee pindpinevus ja murdumisnäitaja (mõõdab, kuidas valgus läbi selle liigub) veidruse.
Kuidas see saab olla? Veemolekuli H2O struktuur on väga huvitav ja seda saab kujutada nagu omamoodi nooleotsakut, mille ülaosas hapnikuaatomit ümbritsevad kaks vesinikuaatomit. Molekulis olevad elektronid kipuvad jaotuma üsna asümmeetriliselt, muutes hapniku külje vesiniku poole suhtes negatiivselt laetud. See lihtne konstruktsiooniline omadus viib vesimolekulide vahel teatud tüüpi koostoimel, mida nimetatakse vesiniksidemeks, milles vastupidised laengud meelitavad üksteist.
See annab veeomadused, mis paljudel juhtudel rikuvad teiste lihtsate vedelike puhul täheldatud suundumusi. Näiteks, erinevalt enamikust teistest ainetest, võtab fikseeritud veemass rohkem ruumi tahke aine (jää) kui (vedelik) kujul, kuna molekulid moodustavad kindla regulaarse struktuuri. Teine näide on vedela vee pindpinevus, mis on umbes kaks korda suurem kui teiste mittepolaarsete, lihtsamate vedelike pinnal.
Vesi on piisavalt lihtne, kuid mitte liiga lihtne. See tähendab, et üks võimalus vee näilise lisafaasi selgitamiseks on see, et see käitub natuke nagu vedelkristall. Vesiniksidemed molekulide vahel hoiavad teatud järjekorda madalatel temperatuuridel, kuid lõpuks võivad kõrgematel temperatuuridel võtta teise, vähem järjestatud vedela faasi. See võib selgitada teadlaste poolt nende andmetes täheldatud kinnitusi.
Kui see kinnitatakse, võib autorite leidudel olla palju rakendusi. Näiteks kui keskkonnamuutused (näiteks temperatuur) põhjustavad muutusi aine füüsikalistes omadustes, saab seda potentsiaalselt kasutada rakenduste tundlikuks muutmiseks. Ehk põhimõtteliselt on bioloogilised süsteemid enamasti valmistatud veest. See, kuidas bioloogilised molekulid (näiteks valgud) üksteisega interakteeruvad, sõltub konkreetsest viisist, kuidas veemolekulid moodustavad vedela faasi. Mõistmine, kuidas veemolekulid keskmiselt erinevatel temperatuuridel organiseeruvad, võiks selgitada, kuidas nad mõjutavad bioloogilisi süsteeme.
Avastus on põnev võimalus teoreetikutele ja eksperimenteerijatele ning ilus näide sellest, kuidas ka kõige tuttavamal ainel on endiselt saladusi peidus.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation. Lugege algset artiklit.
