מדענים גילו מצב חדש של מים

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

אחד הדברים הבסיסיים שאנו לומדים בשיעורי מדעים בבית הספר הוא שמים יכולים להתקיים בשלושה מצבים שונים: קרח מוצק, מים נוזליים או אדי גז. אבל לאחרונה, צוות בינלאומי של מדענים מצא סימנים לכך שמים נוזליים יכולים למעשה להתקיים בשתי מדינות שונות.

תוך כדי עבודת מחקר - התוצאות פורסמו מאוחר יותר בכתב העת הבינלאומי לננוטכנולוגיה - גילו מדענים באופן בלתי צפוי שמספר תכונות משתנות במים עם טמפרטורה של 50 עד 60 ℃. סימן זה לקיומו האפשרי של מצב נוזלי שני של מים עורר ויכוח סוער בחוגים מדעיים. אם יאושר, אזי התגלית תמצא יישומים בתחומים רבים, כולל ננוטכנולוגיה וביולוגיה.

מצבים מצטברים, הנקראים גם "פאזות", הם מושג המפתח של תורת מערכות האטומים והמולקולות. באופן גס, מערכת המורכבת ממולקולות רבות יכולה להיות מאורגנת בצורה של מספר מסוים של תצורות בהתאם לכמות האנרגיה הכוללת שלה. בטמפרטורות גבוהות (ולכן ברמת אנרגיה גבוהה יותר), מספר גדול יותר של תצורות זמינות למולקולות, כלומר, הן מאורגנות פחות נוקשות ונעות בחופשיות יחסית (פאזת גז). בטמפרטורות נמוכות יותר, למולקולות יש פחות תצורות והן בשלב מאורגן יותר (נוזלי). אם הטמפרטורה תרד עוד יותר, הם יקבלו תצורה אחת מוגדרת ויצרו מוצק.

זהו מצב העניינים הכללי של מולקולות פשוטות יחסית כמו פחמן דו חמצני או מתאן, שיש להן שלושה מצבים נפרדים (נוזל, מוצק וגז). אבל למולקולות מורכבות יותר יש מספר גדול יותר של תצורות אפשריות, מה שאומר שמספר השלבים גדל. המחשה מצוינת לכך היא ההתנהגות הכפולה של גבישים נוזליים, הנוצרים ממתחמים של מולקולות אורגניות ויכולים לזרום כמו נוזלים, אך עדיין לשמור על מבנה גבישי מוצק.

מכיוון שהשלבים של חומר נקבעים על פי התצורה המולקולרית שלו, תכונות פיזיקליות רבות משתנות באופן דרמטי כאשר חומר עובר ממצב אחד למשנהו. במחקר האמור לעיל, המדענים מדדו מספר תכונות בקרה של מים בין 0 ל-100 ℃ בתנאים אטמוספריים רגילים (כך שהמים נוזליים). באופן בלתי צפוי, הם מצאו שינויים דרמטיים במאפיינים כמו מתח פני המים ומקדם השבירה (המדד המשקף את האופן שבו האור עובר במים) בטמפרטורה של כ-50 ℃.

מבנה מיוחד

איך זה אפשרי? המבנה של מולקולת המים, H₂O, מאוד מעניין וניתן לתאר אותו כמעין חץ, שבו אטום החמצן ממוקם בחלק העליון, ושני אטומי מימן "מלווים" אותו מהאגפים. אלקטרונים במולקולות נוטים להתפזר בצורה אסימטרית, וזו הסיבה שהמולקולה מקבלת מטען שלילי מצד החמצן לעומת צד המימן. תכונה מבנית פשוטה זו מובילה לעובדה שמולקולות מים מתחילות ליצור אינטראקציה זו עם זו בצורה מסוימת, המטענים ההפוכים שלהן מושכים, ויוצרים קשר מימן שנקרא.

זה מאפשר למים במקרים רבים להתנהג אחרת ממה שצפו נוזלים פשוטים אחרים. לדוגמה, בניגוד לרוב החומרים האחרים, מסה מסוימת של מים תופסת יותר מקום במצב מוצק (בצורת קרח) מאשר במצב נוזלי, בשל העובדה שהמולקולות שלה יוצרות מבנה קבוע ספציפי.דוגמה נוספת היא מתח הפנים של מים נוזליים, שהוא פי שניים מזה של נוזלים אחרים שאינם קוטביים ופשוטים יותר.

המים די פשוטים, אבל לא מהמם. המשמעות היא שההסבר היחיד לשלב הנוסף של המים שהתבטא הוא שהם מתנהגים קצת כמו גביש נוזלי. קשרי מימן בין מולקולות שומרים על סדר מסוים בטמפרטורות נמוכות, אבל הם יכולים להגיע גם למצב אחר, חופשי יותר עם עליית הטמפרטורה. זה מסביר את הסטיות המשמעותיות שנצפו על ידי מדענים במהלך המחקר.

אם זה יאושר, למסקנות המחברים עשויות להיות שימושים רבים. לדוגמה, אם שינויים בסביבה (למשל, טמפרטורה) כרוכים בשינויים בתכונות הפיזיקליות של חומר, תיאורטית ניתן להשתמש בכך כדי ליצור ציוד סאונד. או שאפשר לגשת לזה בצורה יותר עקרונית - מערכות ביולוגיות מורכבות בעיקר ממים. האופן שבו מולקולות אורגניות (כגון חלבונים) מקיימות אינטראקציה זו עם זו עשויה להיות תלויה באופן שבו מולקולות המים יוצרות את השלב הנוזלי. אם תבינו כיצד מולקולות מים מתנהגות בממוצע בטמפרטורות שונות, תוכלו להבהיר כיצד הן מתקשרות במערכות ביולוגיות.

התגלית הזו היא הזדמנות מצוינת לתיאורטיקנים ולנסיינים, כמו גם דוגמה מצוינת לכך שאפילו החומר המוכר ביותר יכול להסתיר בתוכו סודות.

רודריגו לדסמה אגילר