Tokion yliopiston tutkijat ovat tutkineet yksityiskohtaisesti veden rakennetta nesteenä ja havainneet, että sen ominaisuudet riippuvat kahden faasitilan suhteesta.
Kaikki tietävät, että veden ominaisuudet poikkeavat useimmista nesteistä: se laajenee jäätymisen yhteydessä (siksi jää on kevyempää), kun se supistuu, sen viskositeetti pienenee ja niin edelleen. Nämä näennäisesti epänormaalit ominaisuudet selitetään meille koulussa vetysidosten läsnäololla molekyylien välillä. Yksityiskohtia ymmärretään kuitenkin edelleen huonosti, vaikka aihe on erittäin tärkeä sekä kemian että fysiikan kannalta. Veden erityisominaisuuksia käytetään myös lääketieteessä ja tekniikan aloilla.
Tokion yliopiston teollisuustieteiden instituutti pystyi etenemään ymmärtämään veden rakenteen ilmiötä.
Nestemäisessä muodossa oleva vesi muodostaa paikallisia luonteenomaisia tetraedrisiä rakenteita, jotka muodostuvat vetysidosten avulla - tämä on ollut tiedossa jo kauan. Japanilaiset tutkijat ovat todenneet, että vesi ei ole vain "häiriötöntä vettä", jossa "tetraedrisen veden" "hiukkaset" kelluvat: järjestelmällä on kiinteiden faasien kaltainen tilakaavio.
On kehitetty malli, joka pitää nestevettä järjestelmänä, joka koostuu kahdesta vaiheesta. Ensimmäinen on häiriötila, jolla on suuri pyörimissymmetria. Yksinkertaisesti sanottuna, tästä ei ole mitään selvää mallia nesteessä olevien molekyylien "suuntiin". Toinen vaihe ei ole vain tetraedraalisesti järjestetty, vaan myös termodynaamisesti epätasapainotilassa. Näiden tilojen vuorovaikutusta kuvaa lambda-parametri (λ), jonka fyysinen merkitys on arvio parin ja kolmen hengen molekyylien välisten vuorovaikutusten suhteellisesta vahvuudesta. Eli tavallinen kahden vapaan molekyylin ja tetraedrisen rakenteen muodostavien molekyylien välillä. Vastaavasti parametrin X kasvu tarkoittaa järjestelmän järjestyksen kasvua.
Tämä malli näyttää yksinkertaiselta, mutta se ennustaa hyvin veden epänormaalin käyttäytymisen nesteenä.
Yksi tutkimuksen johtajista, John Russo, selittää: "… Kun λ kasvaa, kunkin molekyylin ympärille muodostuvat tetraedraaliset kuoret tulevat energisesti vakaammiksi." Tämä kompensoi energiankulutuksen koko rakenteen tilaamiseksi. Tutkijat, jotka muuttavat λ, ovat mallinneet vaihetilakaaviot, joiden rakenne voi olla melko odottamaton. Joten vasemmalla oleva kuva esittää Si34-tyypin veden rakennetta - se muodostuu alipaineessa. Lisäksi sen rakenne on klatraatti, eli itse asiassa se on inkluusioyhdiste: jotkut vesimolekyyleistä ovat sen muiden molekyylien muodostaman rakenteen onteloissa.
Kuva veden rakenteesta faasitilassa Si34 (vasemmalla) ja vaihekaavio λ / painekoordinaateilla (oikealla) / Tokion yliopiston teollisuustieteiden laitos.
Mainosvideo:
Paljastettu riippuvuus ei ole lineaarinen, suurin vaikutus veden ominaisuuksiin tapahtuu λ = 23,15.
Yksi projektin vetäjistä Hajime Tanaka pani merkille tutkimuksen tärkeän roolin fysikaalisessa kemiassa.
Suhteellisen yksinkertaisella mallilla tuotettujen makroskooppisten parametrien, kuten viskositeetin, suhde mikroskooppisiin rakenteisiin on todellakin tärkeä saavutus. Käytännön näkökulmasta veden rakenteen ymmärtämisen pitäisi auttaa kehittämään tehokkaita hienosuodattimia.
Anton Bugaychuk