A Tokiói Egyetem tudósai részletesen tanulmányozták a víz folyadék szerkezetét, és megállapították, hogy tulajdonságai a két fázisállapot arányától függenek.
Mindenki tudja, hogy a víz tulajdonságai eltérnek a legtöbb folyadéktól: fagyáskor kitágul (ezért a jég könnyebb), összehúzódásakor csökken a viszkozitása stb. Ezeket a rendellenesnek tűnő tulajdonságokat a molekulák közötti hidrogénkötések jelenléte magyarázza nekünk az iskolában. A részleteket azonban még mindig rosszul értik, bár a téma mind a kémia, mind a fizika szempontjából rendkívül fontos. A víz sajátos tulajdonságait az orvostudományban és a műszaki területeken is alkalmazzák.
A Tokiói Egyetem Ipartudományi Intézete előreléphetett a víz szerkezetének jelenségének megértésében.
A folyékony állapotban lévő víz helyi jellegű tetraéderes szerkezeteket képez, amelyek hidrogénkötések segítségével jönnek létre - ez már régóta ismert. Japán tudósok megállapították, hogy a víz nem csak "rendezetlen víz", amelyben a "tetraéderes víz" "részecskéi" lebegnek: a rendszer állapotdiagramja hasonló a szilárd fázisokhoz.
Kidolgozták azt a modellt, amely a folyékony vizet két fázisból álló rendszernek tekinti. Az első egy rendezetlen állapot, nagy rotációs szimmetriával. Egyszerűbben fogalmazva, ez az, hogy nincs semmiféle határozott minta a folyadékban lévő molekulák "irányaiban". A második fázis nemcsak tetraéderesen rendezett, hanem termodinamikailag is egyensúlyhiányos állapotban van. Ezen állapotok kölcsönhatását a lambda paraméter (λ) írja le, amelynek fizikai jelentése a páros és hármas jellegű intermolekuláris interakciók relatív erősségének értékelése. Vagyis a szokásos két szabad molekula és a tetraéderes szerkezetet alkotó molekulák között. Ennek megfelelően a λ paraméter növekedése a rendszer sorrendjének növekedését jelzi.
Ez a modell egyszerűnek tűnik, de jól megjósolja a víz folyadék kóros viselkedését.
A tanulmány egyik vezetője, John Russo a következőket magyarázza: "… Ahogy λ növekszik, az egyes molekulák körül kialakuló tetraéderes héjak energetikailag stabilabbá válnak." Ez kompenzálja a szerkezet egészének megrendeléséhez szükséges energiafogyasztást. A λ változó tudósok modellezték a fázisdiagramokat, amelyek felépítése meglehetősen váratlan lehet. Tehát a bal oldali ábra mutatja a Si34 típusú víz szerkezetét - negatív nyomás alatt képződik. Sőt, szerkezete klatrátos, vagyis valójában zárványvegyület: a vízmolekulák egy része a többi molekulája által alkotott szerkezet üregében található.
A Si34 fázisállapotú víz szerkezetének képe (balra) és a fázisdiagram λ / nyomás (jobbra) koordinátákban / Tokiói Egyetem Ipartudományi Intézete
Promóciós videó:
A feltárt függőség nem lineáris, a maximális hatás a víz tulajdonságaira λ = 23,15-nél jelentkezik.
Hajime Tanaka, a projekt egyik vezetője megjegyezte a kutatás fontos szerepét a fizikai kémia területén.
A viszonylag egyszerű modell alkalmazásával előállított makroszkopikus paraméterek, például a viszkozitás és a mikroszkopikus struktúrák kapcsolata valóban fontos eredmény. Gyakorlati szempontból a víz szerkezetének megértése elősegíti a hatékony finomszűrők kifejlesztését.
Anton Bugaychuk