Descoperire importantă legată de apă: în câte moduri se poate separa, de ce

Frumusețea orbitoare a unui fulg de zăpadă este o dovadă a formelor uimitoare pe care apa le poate forma sub punctul de îngheț.

Plasat sub presiune, dansul elegant al moleculei de H2O se contorsionează în ceva bizar la temperaturi super reci, practic legându-se în noduri pentru a evita transformarea în gheață.

Cercetătorii de la Universitatea din Birmingham din Marea Britanie și Sapienza Università di Roma din Italia au examinat comportamentul moleculelor din apa lichidă sub presiune, plasată în condiții care de obicei ar determina cristalizarea acesteia.

Pe baza unui nou mod de a modela comportamentul apei ca suspensie de particule, au identificat caracteristicile cheie ale a două stări lichide diferite; unul „complex din punct de vedere topologic”, legat într-un nod similar cu un covrig, celălalt într-o formație de densitate mai mică de inele mai simple.

„Acest model coloidal de apă oferă o lupă în apă moleculară și ne permite să dezvăluim secretele apei referitoare la povestea a două lichide”, spune chimistul de la Universitatea din Birmingham, Dwaipayan Chakrabarti.

Teoriile formulate în anii 1990 au sugerat tipurile de interacțiuni moleculare care ar putea avea loc atunci când apa este suprarăcită – răcită la temperaturi sub punctul de îngheț obișnuit, fără a se solidifica.

Noi descoperiri

Oamenii de știință au împins limitele apei de răcire fără ca aceasta să treacă într-o stare solidă de ani de zile, reușind în cele din urmă să o mențină într-o formă lichidă haotică la o temperatură de -263 grade Celsius fără ca ea să se transforme în gheață.

În măsura în care s-au făcut progrese în demonstrarea acestor stări în laborator, oamenii de știință încă încearcă să stabilească exact cum arată lichidele suprarăcite atunci când sunt lipsite de căldură.

Este clar că, în punctele critice, atracțiile polare concurente dintre moleculele de apă se ridică deasupra zgomotului termodinamic al particulelor care se agită. Fără spațiul cotului pentru a împinge într-o formă cristalină, moleculele trebuie să găsească alte configurații confortabile.

Cu atât de mulți factori în joc, cercetătorii încearcă de obicei să simplifice ceea ce pot și să se concentreze pe variabilele importante. În acest caz, privirea „globurilor” de apă ca și cum ar fi particule mai mari dizolvate în lichid ajută la o mai bună înțelegere a tranzițiilor de la un aranjament la altul.

Modelele computerizate bazate pe această perspectivă au indicat o schimbare subtilă între apa care se împinge și o formă formată din particule care se așează mai aproape între ele într-o formă mai densă.

Interesant este că forma – sau topologia – interacțiunilor moleculare din acest peisaj acvatic arăta, de asemenea, complet diferită, moleculele devenind încurcate în rețele complicate pe măsură ce se îngrămădesc sau forme mult mai simple pe măsură ce se despart.

Cercetătorii , mai aproape de a înțelege natura

„În această lucrare, propunem, pentru prima dată, o vedere a tranziției de fază lichid-lichid bazată pe idei de încurcare a rețelei”, spune Francesco Sciortino, un fizician al materiei condensate la Sapienza Università di Roma.

„Sunt sigur că această lucrare va inspira modelări teoretice noi bazate pe concepte topologice”.

Acest spațiu ciudat de rețele de particule încurcate este pregătit pentru explorare. Deși nu sunt complet diferite de lanțurile lungi de molecule legate covalent, astfel de noduri sunt tranzitorii, schimbând membrii pe măsură ce mediul lichid se schimbă.

Având în vedere interacțiunile lor încurcate, natura apei lichide care se găsește în medii de înaltă presiune și temperatură scăzută ar trebui să fie destul de diferită de orice am găsi pe suprafața Pământului.

Știind mai multe despre comportamentul topologic nu doar al apei în aceste condiții, ci și al altor lichide ne-ar putea oferi informații despre activitatea materialelor în medii extreme sau greu accesibile, cum ar fi adâncimile planetelor îndepărtate.

„Visează cât de frumos ar fi dacă am putea privi în interiorul lichidului și am putea observa dansul moleculelor de apă, felul în care pâlpâie și modul în care schimbă parteneri, restructurând rețeaua de legături de hidrogen”, spune Sciortino.

„Realizarea modelului coloidal pentru apă pe care îl propunem poate face ca acest vis să devină realitate”.