Wanasayansi wamegundua hali mpya ya maji

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Moja ya mambo ya msingi tunayojifunza katika madarasa ya sayansi shuleni ni kwamba maji yanaweza kuwepo katika hali tatu tofauti: barafu imara, maji ya kioevu, au mvuke wa gesi. Lakini hivi karibuni, timu ya kimataifa ya wanasayansi imepata ishara kwamba maji ya kioevu yanaweza kuwepo katika majimbo mawili tofauti.

Wakati wa kufanya kazi ya utafiti - matokeo yalichapishwa baadaye katika Jarida la Kimataifa la Nanotechnology - wanasayansi bila kutarajia waligundua kuwa idadi ya mali hubadilika katika maji yenye joto la 50 hadi 60 ℃. Ishara hii ya uwezekano wa kuwepo kwa hali ya kioevu ya pili ya maji imezua mjadala mkali katika duru za kisayansi. Ikiwa imethibitishwa, basi ugunduzi utapata maombi katika maeneo mengi, ikiwa ni pamoja na nanoteknolojia na biolojia.

Majimbo ya jumla, ambayo pia huitwa "awamu", ni dhana kuu ya nadharia ya mifumo ya atomi na molekuli. Kwa kusema, mfumo unaojumuisha molekuli nyingi unaweza kupangwa kwa namna ya idadi fulani ya usanidi kulingana na kiasi chake cha nishati. Kwa joto la juu (na kwa hiyo kwa kiwango cha juu cha nishati), idadi kubwa ya usanidi hupatikana kwa molekuli, yaani, ni chini ya kupangwa kwa ugumu na kusonga kwa uhuru (awamu ya gesi). Katika halijoto ya chini, molekuli zina usanidi mdogo na ziko katika awamu iliyopangwa zaidi (kioevu). Ikiwa hali ya joto itapungua hata chini, watachukua usanidi mmoja wa uhakika na kuunda imara.

Hii ndiyo hali ya jumla ya mambo kwa molekuli rahisi kiasi kama vile kaboni dioksidi au methane, ambazo zina hali tatu tofauti (kioevu, kigumu na gesi). Lakini molekuli ngumu zaidi zina idadi kubwa ya usanidi unaowezekana, ambayo inamaanisha kuwa idadi ya awamu huongezeka. Kielelezo bora cha hii ni tabia mbili za fuwele za kioevu, ambazo huundwa kutoka kwa changamano za molekuli za kikaboni na zinaweza kutiririka kama kioevu, lakini bado huhifadhi muundo thabiti wa fuwele.

Kwa kuwa awamu za dutu huamuliwa na usanidi wake wa molekuli, sifa nyingi za kimwili hubadilika sana wakati dutu inapita kutoka hali moja hadi nyingine. Katika utafiti uliotajwa hapo juu, wanasayansi walipima sifa kadhaa za udhibiti wa maji kati ya 0 na 100 ℃ chini ya hali ya kawaida ya anga (ili maji yawe kioevu). Bila kutarajia, walipata tofauti kubwa katika sifa kama vile mvutano wa uso wa maji na faharasa ya refractive (kielezo kinachoakisi jinsi mwanga husafiri kupitia maji) kwa joto la takriban 50 ℃.

Muundo maalum

Je, hili linawezekanaje? Muundo wa molekuli ya maji, H₂O, inavutia sana na inaweza kuonyeshwa kama aina ya mshale, ambapo atomi ya oksijeni iko juu, na atomi mbili za hidrojeni "huisindikiza" kutoka kwenye ubavu. Elektroni katika molekuli huwa na kusambazwa kwa usawa, ndiyo sababu molekuli hupokea chaji hasi kutoka upande wa oksijeni ikilinganishwa na upande wa hidrojeni. Kipengele hiki rahisi cha kimuundo kinaongoza kwa ukweli kwamba molekuli za maji huanza kuingiliana kwa njia fulani, mashtaka yao kinyume huvutia, na kutengeneza kinachojulikana kama dhamana ya hidrojeni.

Hii inaruhusu maji katika hali nyingi kufanya kazi tofauti na vile vimiminika vingine rahisi vimeona. Kwa mfano, tofauti na vitu vingine vingi, wingi fulani wa maji huchukua nafasi zaidi katika hali imara (kwa namna ya barafu) kuliko katika hali ya kioevu, kutokana na ukweli kwamba molekuli zake huunda muundo maalum wa kawaida. Mfano mwingine ni mvutano wa uso wa maji ya kioevu, ambayo ni mara mbili ya maji mengine yasiyo ya polar, rahisi zaidi.

Maji ni rahisi sana, lakini sio mengi. Hii ina maana kwamba maelezo pekee ya awamu ya ziada ya maji ambayo imejidhihirisha yenyewe ni kwamba inatenda kidogo kama kioo kioevu. Vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli hudumisha utaratibu fulani kwa joto la chini, lakini pia vinaweza kuja kwa hali nyingine, zaidi ya bure na joto la kuongezeka. Hii inaelezea upotovu mkubwa unaozingatiwa na wanasayansi wakati wa utafiti.

Ikiwa hii imethibitishwa, hitimisho la waandishi linaweza kuwa na matumizi mengi. Kwa mfano, ikiwa mabadiliko katika mazingira (sema, halijoto) yanajumuisha mabadiliko katika sifa za kimwili za dutu, kinadharia hii inaweza kutumika kuunda vifaa vya kutoa sauti. Au unaweza kuikaribia kimsingi - mifumo ya kibaolojia inaundwa hasa na maji. Jinsi molekuli za kikaboni (kama vile protini) zinavyoingiliana zinaweza kutegemea jinsi molekuli za maji huunda awamu ya kioevu. Ikiwa unaelewa jinsi molekuli za maji zinavyofanya kwa wastani katika viwango tofauti vya joto, unaweza kufafanua jinsi zinavyoingiliana katika mifumo ya kibiolojia.

Ugunduzi huu ni fursa nzuri kwa wananadharia na majaribio, pamoja na mfano bora wa ukweli kwamba hata dutu inayojulikana zaidi inaweza kuficha siri ndani yake yenyewe.

Rodrigo Ledesma Aguilar