Wissenschaftler haben einen neuen Wasserzustand entdeckt

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

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. Doch kürzlich hat ein internationales Wissenschaftlerteam Anzeichen dafür gefunden, dass flüssiges Wasser tatsächlich in zwei verschiedenen Staaten existieren kann.

Bei 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 bei einer Temperatur von 50 bis 60 ° C ändern. Dieses Zeichen für die mögliche Existenz eines zweiten flüssigen Zustands von Wasser hat in wissenschaftlichen Kreisen eine hitzige Debatte entfacht. Wenn sie bestätigt wird, wird die Entdeckung in vielen Bereichen Anwendung finden, einschließlich der Nanotechnologie und der Biologie.

Aggregatzustände, auch "Phasen" genannt, sind das Schlüsselkonzept der Theorie der Atom- und Molekülsysteme. Grob gesagt kann ein aus vielen Molekülen bestehendes System in Abhängigkeit von seiner Gesamtenergiemenge in eine bestimmte Anzahl von Konfigurationen organisiert werden. Bei hohen Temperaturen (und damit auf einem höheren Energieniveau) stehen Molekülen mehr 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 organisierteren (flüssigen) Phase. Sinkt die Temperatur noch tiefer, nehmen sie eine bestimmte Konfiguration an und bilden einen Festkörper.

Dies ist der allgemeine Zustand für relativ einfache Moleküle wie Kohlendioxid oder Methan, die drei verschiedene Zustände aufweisen (flüssig, fest und gasförmig). Komplexere Moleküle haben jedoch eine größere Zahl möglicher Konfigurationen, was bedeutet, dass die Zahl der Phasen zunimmt. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist das duale Verhalten von Flüssigkristallen, die aus Komplexen organischer Moleküle gebildet werden und wie Flüssigkeiten fließen können, aber dennoch eine feste kristalline Struktur 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 mehrere Kontrolleigenschaften von Wasser zwischen 0 und 100 ℃ unter normalen atmosphärischen Bedingungen gemessen (so dass das Wasser flüssig ist). Unerwartet fanden sie dramatische Schwankungen der Eigenschaften wie der Oberflächenspannung von Wasser und des Brechungsindex (der Index, der widerspiegelt, wie Licht durch Wasser wandert) bei einer Temperatur von etwa 50 °C.

Sonderstruktur

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 her „begleiten“. Elektronen in Molekülen sind tendenziell asymmetrisch verteilt, weshalb das Molekül von der Sauerstoffseite gegenüber der Wasserstoffseite eine negative Ladung erhält. Dieses einfache Strukturmerkmal führt dazu, dass Wassermoleküle auf eine bestimmte Weise miteinander wechselwirken, ihre entgegengesetzten Ladungen anziehen und eine sogenannte Wasserstoffbrücke bilden.

Dadurch kann sich Wasser in vielen Fällen anders verhalten, als andere einfache Flüssigkeiten beobachtet haben. Im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen nimmt beispielsweise eine bestimmte Wassermasse im festen Zustand (in Form von Eis) mehr Raum ein als im flüssigen Zustand, da seine Moleküle eine bestimmte regelmäßige Struktur bilden. Ein weiteres Beispiel ist die Oberflächenspannung von flüssigem Wasser, die doppelt so hoch ist wie die anderer unpolarer, einfacher Flüssigkeiten.

Das Wasser ist ziemlich einfach, aber nicht überwältigend. Dies bedeutet, dass die einzige Erklärung für die sich manifestierte zusätzliche Phase von Wasser darin besteht, dass sie sich ein wenig wie ein Flüssigkristall verhält. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen behalten bei niedrigen Temperaturen eine gewisse Ordnung bei, können aber mit steigender Temperatur auch in einen anderen, freieren Zustand gelangen. Dies erklärt die erheblichen Abweichungen, die Wissenschaftler bei der Forschung beobachtet haben.

Wenn dies bestätigt wird, können die Schlussfolgerungen der Autoren viele Verwendungen haben. Wenn beispielsweise Änderungen der Umgebung (zB Temperatur) Änderungen der physikalischen Eigenschaften eines Stoffes nach sich ziehen, kann dies theoretisch zur Erstellung von Sondierungsgeräten verwendet werden. Oder Sie können es grundsätzlicher 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. Wer versteht, wie sich Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen im Mittel verhalten, kann klären, wie sie in biologischen Systemen interagieren.

Diese Entdeckung ist eine großartige Gelegenheit für Theoretiker und Experimentatoren sowie ein hervorragendes Beispiel dafür, dass selbst die bekannteste Substanz Geheimnisse in sich bergen kann.

Rodrigo Ledesma Aguilar