Eines der grundlegendsten Dinge, die wir im naturwissenschaftlichen Unterricht lernen, ist, dass Wasser in drei verschiedenen Zuständen existieren kann, entweder als festes Eis, flüssiges Wasser oder als Dampfgas. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat kürzlich Anzeichen dafür gefunden, dass flüssiges Wasser tatsächlich in zwei verschiedenen Zuständen vorliegt.
In einem im International Journal of Nanotechnology veröffentlichten experimentellen Artikel stellten die Forscher überraschend fest, dass eine Reihe von physikalischen Eigenschaften von Wasser ihr Verhalten zwischen 50 und 60 ℃ änderten. Dieses Anzeichen eines möglichen Wechsels in einen zweiten flüssigen Zustand könnte eine hitzige Diskussion in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auslösen. Sollte sich dies bestätigen, könnte dies Auswirkungen auf eine Reihe von Bereichen haben, einschließlich Nanotechnologie und Biologie.
Materiezustände, auch „Phasen“ genannt, sind ein Schlüsselbegriff für die Untersuchung von Systemen aus Atomen und Molekülen. Grob gesagt kann ein aus vielen Molekülen gebildetes System in Abhängigkeit von seiner Gesamtenergie in einer bestimmten Anzahl von Konfigurationen angeordnet werden. Bei höheren Temperaturen (und damit höheren Energien) haben die Moleküle mehr mögliche Konfigurationen und sind daher unorganisierter und können sich relativ frei bewegen (die Gasphase). Bei niedrigeren Temperaturen weisen die Moleküle eine begrenzte Anzahl von Konfigurationen auf und bilden so eine geordnetere Phase (eine Flüssigkeit). Wenn die Temperatur weiter sinkt, ordnen sie sich in einer sehr spezifischen Konfiguration an und erzeugen einen Feststoff.
Dieses Bild ist für relativ einfache Moleküle wie Kohlendioxid oder Methan üblich, die drei klare, unterschiedliche Zustände haben (flüssig, fest und gasförmig). Bei komplexeren Molekülen gibt es jedoch eine größere Anzahl möglicher Konfigurationen, wodurch mehr Phasen entstehen. Ein schönes Beispiel dafür ist das reiche Verhalten von Flüssigkristallen, die von komplexen organischen Molekülen gebildet werden und wie Flüssigkeiten fließen können, aber dennoch eine festkörperähnliche Kristallstruktur aufweisen
Da die Phase einer Substanz durch die Konfiguration ihrer Moleküle bestimmt wird, ändern sich viele physikalische Eigenschaften dieser Substanz beim Übergang von einem Zustand in einen anderen abrupt. In der kürzlich erschienenen Arbeit haben die Forscher verschiedene verräterische physikalische Eigenschaften von Wasser bei Temperaturen zwischen 0 und 100 ° C unter normalen atmosphärischen Bedingungen gemessen (dh das Wasser war eine Flüssigkeit). Überraschenderweise fanden sie einen Knick bei Eigenschaften wie der Oberflächenspannung des Wassers und seinem Brechungsindex (ein Maß dafür, wie sich Licht durch das Wasser bewegt) bei etwa 50 ℃.
Wie kann das sein? Die Struktur eines Wassermoleküls, H2O, ist sehr interessant und kann wie eine Art Pfeil dargestellt werden, wobei die beiden Wasserstoffatome das Sauerstoffatom oben flankieren. Die Elektronen im Molekül sind tendenziell asymmetrisch verteilt, so dass die Sauerstoffseite im Vergleich zur Wasserstoffseite negativ geladen ist. Dieses einfache Strukturmerkmal führt zu einer Art Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen, die als Wasserstoffbrücken bekannt sind, bei der sich die entgegengesetzten Ladungen gegenseitig anziehen.
Dies ergibt Wassereigenschaften, die in vielen Fällen die für andere einfache Flüssigkeiten beobachteten Trends brechen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Substanzen nimmt beispielsweise eine feste Wassermasse als Feststoff (Eis) mehr Platz ein als als (Flüssigkeit), da die Moleküle eine bestimmte regelmäßige Struktur bilden. Ein weiteres Beispiel ist die Oberflächenspannung von flüssigem Wasser, die etwa doppelt so hoch ist wie die von anderen unpolaren, einfacheren Flüssigkeiten.
Wasser ist einfach genug, aber nicht zu einfach. Dies bedeutet, dass eine Möglichkeit zur Erklärung der scheinbaren zusätzlichen Phase von Wasser darin besteht, dass es sich ein wenig wie ein Flüssigkristall verhält. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen behalten bei niedrigen Temperaturen eine gewisse Ordnung, könnten jedoch bei höheren Temperaturen eine zweite, weniger geordnete flüssige Phase einnehmen. Dies könnte die von den Forschern beobachteten Knicke in ihren Daten erklären.
Wenn dies bestätigt wird, könnten die Ergebnisse der Autoren viele Anwendungen haben. Wenn z. B. Änderungen der Umgebung (wie z. B. die Temperatur) Änderungen der physikalischen Eigenschaften eines Stoffes verursachen, kann dies möglicherweise für Sensoranwendungen verwendet werden. Grundsätzlich bestehen biologische Systeme meistens aus Wasser. Wie biologische Moleküle (wie Proteine) miteinander interagieren, hängt wahrscheinlich von der spezifischen Art und Weise ab, in der Wassermoleküle eine flüssige Phase bilden. Wenn man versteht, wie sich Wassermoleküle im Durchschnitt bei unterschiedlichen Temperaturen anordnen, kann man die Funktionsweise ihrer Interaktion in biologischen Systemen beleuchten.
Die Entdeckung ist eine aufregende Gelegenheit für Theoretiker und Experimentatoren und ein schönes Beispiel dafür, wie selbst die bekannteste Substanz noch Geheimnisse birgt.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
