Wetenschappers hebben een nieuwe staat van water ontdekt

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Een van de basisdingen die we in de natuurkundelessen op school leren, is dat water in drie verschillende toestanden kan bestaan: vast ijs, vloeibaar water of gasvormige damp. Maar onlangs heeft een internationaal team van wetenschappers tekenen gevonden dat vloeibaar water in twee verschillende staten kan bestaan.

Tijdens het uitvoeren van onderzoekswerk - de resultaten werden later gepubliceerd in het International Journal of Nanotechnology - ontdekten wetenschappers onverwacht dat een aantal eigenschappen verandert in water met een temperatuur van 50 tot 60. Dit teken van het mogelijke bestaan van een tweede vloeibare toestand van water heeft geleid tot een verhit debat in wetenschappelijke kringen. Indien bevestigd, zal de ontdekking toepassingen vinden op veel gebieden, waaronder nanotechnologie en biologie.

Geaggregeerde toestanden, ook wel "fasen" genoemd, vormen het sleutelconcept van de theorie van systemen van atomen en moleculen. Grofweg kan een systeem dat uit veel moleculen bestaat, worden georganiseerd in de vorm van een bepaald aantal configuraties, afhankelijk van de totale hoeveelheid energie. Bij hoge temperaturen (en dus bij een hoger energieniveau) zijn er meer configuraties beschikbaar voor moleculen, dat wil zeggen dat ze minder rigide zijn georganiseerd en relatief vrij bewegen (gasfase). Bij lagere temperaturen hebben moleculen minder configuraties en bevinden ze zich in een meer georganiseerde (vloeibare) fase. Als de temperatuur nog lager wordt, zullen ze één definitieve configuratie aannemen en een vaste stof vormen.

Dit is de algemene stand van zaken voor relatief eenvoudige moleculen zoals koolstofdioxide of methaan, die drie verschillende toestanden hebben (vloeibaar, vast en gas). Maar complexere moleculen hebben een groter aantal mogelijke configuraties, waardoor het aantal fasen toeneemt. Een uitstekende illustratie hiervan is het dubbele gedrag van vloeibare kristallen, die worden gevormd uit complexen van organische moleculen en kunnen stromen als vloeistoffen, maar toch een vaste kristallijne structuur behouden.

Omdat de fasen van een stof worden bepaald door zijn moleculaire configuratie, veranderen veel fysieke eigenschappen drastisch wanneer een stof van de ene toestand naar de andere gaat. In de bovengenoemde studie hebben de wetenschappers verschillende controle-eigenschappen van water gemeten tussen 0 en 100 onder normale atmosferische omstandigheden (zodat het water vloeibaar is). Onverwacht vonden ze dramatische variaties in eigenschappen zoals de oppervlaktespanning van water en de brekingsindex (de index die weerspiegelt hoe licht door water reist) bij een temperatuur van ongeveer 50.

Speciale structuur

Hoe is dit mogelijk? De structuur van het watermolecuul, H₂O, is erg interessant en kan worden weergegeven als een soort pijl, waarbij het zuurstofatoom zich bovenaan bevindt en twee waterstofatomen het vanaf de flanken "vergezellen". Elektronen in moleculen hebben de neiging om asymmetrisch te worden verdeeld, daarom krijgt het molecuul een negatieve lading van de zuurstofkant in vergelijking met de waterstofkant. Dit eenvoudige structurele kenmerk leidt ertoe dat watermoleculen op een bepaalde manier met elkaar gaan interageren, hun tegengestelde ladingen trekken elkaar aan en vormen een zogenaamde waterstofbinding.

Hierdoor kan water zich in veel gevallen anders gedragen dan andere eenvoudige vloeistoffen hebben waargenomen. In tegenstelling tot de meeste andere stoffen neemt een bepaalde hoeveelheid water bijvoorbeeld meer ruimte in beslag in vaste toestand (in de vorm van ijs) dan in vloeibare toestand, omdat de moleculen een specifieke regelmatige structuur vormen. Een ander voorbeeld is de oppervlaktespanning van vloeibaar water, die twee keer zo hoog is als die van andere niet-polaire, eenvoudigere vloeistoffen.

Het water is vrij eenvoudig, maar niet overweldigend. Dit betekent dat de enige verklaring voor de extra fase van water die zich heeft gemanifesteerd, is dat het zich een beetje als een vloeibaar kristal gedraagt. Waterstofbindingen tussen moleculen behouden een bepaalde volgorde bij lage temperaturen, maar ze kunnen ook in een andere, meer vrije toestand komen bij toenemende temperatuur. Dit verklaart de significante afwijkingen die wetenschappers tijdens onderzoek constateren.

Als dit wordt bevestigd, kunnen de conclusies van de auteurs vele toepassingen hebben. Als veranderingen in de omgeving (bijvoorbeeld temperatuur) bijvoorbeeld veranderingen in de fysieke eigenschappen van een stof met zich meebrengen, kan dit in theorie worden gebruikt om geluidsapparatuur te maken. Of je kunt het fundamenteler benaderen: biologische systemen bestaan voornamelijk uit water. Hoe organische moleculen (zoals eiwitten) met elkaar omgaan, hangt waarschijnlijk af van hoe de watermoleculen de vloeibare fase vormen. Als je begrijpt hoe watermoleculen zich gemiddeld gedragen bij verschillende temperaturen, kun je verduidelijken hoe ze in biologische systemen op elkaar inwerken.

Deze ontdekking is een geweldige kans voor theoretici en onderzoekers, evenals een uitstekend voorbeeld van het feit dat zelfs de meest bekende substantie geheimen in zichzelf kan verbergen.

Rodrigo Ledesma Aguilar