Pakaitinus vandenį tarp 40 ir 60 laipsnių Celsijaus, prasideda tikros keistenybės: „tikrai gėda pripažinti, bet niekas iš tiesų nesupranta kas su juo vyksta“

Fizines vandens savybes tyrę mokslininkai nustatė, kad pašildytas iki 40-60 laipsnių Celsijaus vanduo pasiekia „pereinamąją temperatūrą“, kuomet tarsi „persijungia“ iš vienos skystosios būsenos į kitą.

Kaip cheminis junginys, vanduo labai svarbus Žemei. Tačiau nuvertiname jo tikrąjį keistumą. Visi žinome, kad yra trys pagrindinės vandens būsenos – kieta, skysta ir dujinė. Tiesa, itin retomis aplinkybėmis gali susidaryti ir į plazmą panaši vandens būsena.

Tačiau daugeliu atveju senas geras vanduo gerokai skiriasi nuo kitų medžiagų mūsų planetoje.

Išskyrus gyvsidabrį, vandens paviršiaus įtemptis yra didžiausia iš visų skysčių. Vanduo taip pat yra viena iš kelių žinomų medžiagų, kurių kietoji forma gali plūduriuoti ant jų skystosios formos. Ir skirtingai nuo beveik visų žinomų medžiagų, vanduo šaldamas plečiasi.

Vandens taip pat yra labai keistas virimo taškas. Kitų hidridų, kaip vandenilio telūridas ir vandenio sulfidas, virimo taškas mažėja, mažėjant jų molekulių dydžiui. O vandens virimo taškas yra stebėtinai aukštas tokiai mažai molekulinei masei.

„Niekas iš tiesų nesupranta vandens, – žurnale „Nature“ rašo Philipas Ballas. – Tikrai gėda pripažinti, tačiau du trečdalius mūsų planetos dengiantis dalykas yra tikra paslaptis. Dar blogiau, kad kuo labiau mes gilinamės, tuo daugiau problemų iškyla: naujos giluminės molekulinės skysto vandens sandaros analizės metodikos užmena dar daugiau mįslių.“

Kintančios būsenos

Dabar fizikai teigia, kad kažkur tarp 40 ir 60 laipsnių Celsijaus temperatūrų skystas vanduo ima „keisti“ būsenas ir demonstruoti visiškai kitokias savybes, priklausomai būsenos, į kurią virsta.

Norėdama tai suprasti tarptautinės komanda, kuriai vadovavo Oksfordo universiteto fizikė Laura Maestro, išanalizavo tam tikras specifines vandens savybes, kaip šilumos laidumas, lūžio rodiklis, laidumas, paviršiaus įtemptis ir dielektinė konstanta (ji parodo, kaip elektrinis laukas plinta per tam tikrą medžiagą), bei pažiūrėjo, kaip šie rodikliai svyruoja keičiant temperatūrą nuo nulio iki 100 laipsnių Celsijaus.

Kai vandens temperatūra pasiekė 40 laipsnių, rodikliai ėmė kisti iki pat 60 laipsnių. Kiekviena vandens savybė turėjo savo „pereinamąją temperatūrą“ šiame diapazone, ir mokslininkai mano, kad taip įvyko todėl, kad skystas vanduo perėjo į kitokią fazę.

Mokslininkai įvardijo kelias pereinamąsias temperatūras: maždaug 64 laipsniai šilumos laidumui, 50 laipsnių lūžio rodikliui, maždaug 53 laipsniai laidumui ir 57 laipsniai paviršiaus įtempčiai.

„Šie rezultatai patvirtina, kad 0-100 laipsnių Celsijaus diapazone skystame vandenyje pasireiškia daugelis šių savybių maždaug prie 50 laipsnių temperatūros“, – konstatuoja mokslininkai.

Silpni ryšiai

Taigi, kas vyksta? Kol kas nėra visai aišku, bet tas faktas, kad vanduo gali pereiti iš vienos skystosios formos į kitą tam tikroje temperatūroje gali paaiškinti, kodėl jis apskritai turi tiek daug neįprastų savybių.

Vandens molekules palaiko tik labai trumpalaikius tarpusavio ryšius, ir vandenilio atomų jungtys yra netgi silpnesnės už esančias tarp vandenilio ir deguonies atomų. Būtent dėl šios priežasties vandenilio atomų jungtys, jungiančios vandens molekules, nuolat nutrūksta ir vėl atsistato. Tačiau net ir šio chaoso metu egzistuoja tam tikros nustatytos struktūros ir „taisyklės“.

Fizikai mano, kad būtent tai ir suteikia vandeniui neįprastų savybių. Nors niekas galutinai nežino, kaip tai veikia.

„Visi sutaria, kad vienas aspektas, dėl kurio vandens molekulės struktūra skiriasi nuo kitų skysčių, yra besikeičiančios vandenilio atomų jungtys“, – sako Ph. Ballas.

Nors L. Maestro vadovautos komandos atlikto tyrimo rezultatus dar turi patikrinti nepriklausoma mokslininkų komanda, prieš mums skubant perrašyti vadovėlius ir pradėti kalbėti apie keturias (o gal pusketvirtos) vandens būsenas, jie sako, kad jų atradimas turi rimtą poveikį tolesniam mūsų suvokimui apie nano ir biologines sistemas.

„Taip pat kyla klausimas, ar temperatūrų paskatinti struktūriniai vandens pokyčiai daro įtaką biologinėms makromolekulėms vandeniniuose tirpaluose, ypač baltymų, kurie yra gyvybiškai svarbūs funkciniai biologiniai vienetai gyvosiose ląstelėse“, – sako tyrimą atlikę mokslininkai.
Šis tyrimas buvo aprašytas žurnale „The International Journal of Nanotechnology“.