Zachowanie naukowców zajmujących się wodą odkrywa nowe właściwości H2O

Anonim

Zespół naukowców odkrył nowe molekularne właściwości wody - odkrycie zjawiska, które wcześniej nie zostało zauważone.

Zespół naukowców odkrył nowe molekularne właściwości wody - odkrycie zjawiska, które wcześniej nie zostało zauważone.

Wiadomo, że ciekła woda jest doskonałym transporterem własnych produktów do autojonizacji; to znaczy naładowane gatunki otrzymane, gdy cząsteczka wody (H2O) jest rozdzielona na protony (H +) i jony wodorotlenkowe (OH -). Ta niezwykła właściwość wody sprawia, że ​​jest ona krytycznym komponentem nowych technologii wytwarzania i przechowywania energii elektrochemicznej, takich jak ogniwa paliwowe; w rzeczywistości samo życie nie byłoby możliwe, gdyby woda nie posiadała tej cechy.

Wiadomo, że woda składa się ze złożonej sieci słabych, kierunkowych oddziaływań znanych jako wiązania wodorowe. Przez prawie sto lat uważano, że mechanizmy, za pomocą których woda transportuje jony H + i OH -, są swoimi lustrzanymi odbiciami - identyczne pod każdym względem, z wyjątkiem kierunków wiązań wodorowych biorących udział w procesie.

Obecne najnowocześniejsze modele teoretyczne i symulacje komputerowe przewidywały jednak zasadniczą asymetrię w tych mechanizmach. Jeśli to prawda, ta asymetria jest czymś, co można wykorzystać w różnych aplikacjach, dostosowując system do faworyzowania jednego jonu nad drugim.

Eksperymentalny dowód teoretycznych przewidywań pozostaje nieuchwytny z powodu trudności w bezpośrednim obserwowaniu dwóch gatunków jonowych. Różne eksperymenty dostarczyły jedynie przebłyski przewidywanej asymetrii.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Nowojorskiego, kierowany przez profesora Alexeja Jerschowa i Emilią Silletta, stażystkę z NYU oraz Mark Tuckerman, profesor chemii i matematyki na Uniwersytecie Nowojorskim, opracował nowy eksperyment na rzecz opanowania tej asymetrii. Podejście eksperymentalne obejmowało schładzanie wody do tak zwanej temperatury maksymalnej gęstości, gdzie asymetria ma się najsilniej manifestować, co pozwala na dokładne jej wykrycie.

Powszechnie wiadomo, że lód unosi się na wodzie, a jeziora zamrażają od góry. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki wody pakują się w strukturę o gęstości mniejszej niż woda płynna - przejaw niezwykłych właściwości wody: gęstość ciekłej wody wzrasta tuż powyżej punktu zamarzania i osiąga maksimum w czterech stopniach Celsjusza (39 stopni Fahrenheita)), tak zwana temperatura maksymalnej gęstości; ta różnica gęstości oznacza, że ​​ciecz jest zawsze usytuowana poniżej lodu.

Przez schłodzenie wody do tej temperatury zespół wykorzystał metody rezonansu magnetycznego (ten sam rodzaj podejścia jest medycznie stosowany w obrazowaniu rezonansu magnetycznego), aby pokazać, że różnica w żywotności dwóch jonów osiąga wartość maksymalną (im dłuższy czas życia, wolniejszy transport). Akcentując różnicę w życiu, asymetria stała się jaskrawo wyraźna.

Jak zauważono poprzednio, woda składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, ale atomy wodoru są względnie ruchliwe i mogą przeskakiwać z jednej cząsteczki na drugą, i to jest to przeskakiwanie, które sprawia, że ​​oba jonowe związki są tak ruchliwe w wodzie.

Szukając wyjaśnień dotyczących charakterystyk zależnych od temperatury, naukowcy skupili się na szybkości, z jaką takie skoki mogą wystąpić.

Wcześniejsze badania wykazały, że dwa główne geometryczne układy wiązań wodorowych (jeden związany z każdym jonem) ułatwiają chmiel. Naukowcy odkryli, że jedno z opracowań doprowadziło do znacznie wolniejszego chmielu dla OH - niż dla H + w czterech stopniach Celsjusza. Ponieważ jest to również temperatura maksymalnej gęstości, badacze uważali, że te dwa zjawiska musiały zostać połączone. Ponadto, ich wyniki pokazały, że zachowanie przeskakiwania cząsteczek zmieniło się gwałtownie w tej temperaturze.

"Badanie właściwości molekularnych wody jest bardzo interesujące ze względu na jego centralną rolę w umożliwieniu procesów fizjologicznych i ich wszechobecności" - mówi Jerschow, autor publikacji. "Nowe odkrycie jest dość zaskakujące i może umożliwić głębsze zrozumienie właściwości wody, a także jej roli jako płynu w wielu zjawiskach przyrody."

Tuckerman, który był jednym z pierwszych badaczy przewidujących asymetrię mechanizmów transportowych i różnicę w układach wiązań wodorowych, mówi: "To satysfakcjonujące, że ten wyraźny kawałek eksperymentalnych dowodów potwierdza nasze wcześniejsze przewidywania. sposoby wykorzystania asymetrii między transportem H + i OH - do zaprojektowania nowych materiałów do zastosowań czystej energii i wiedząc, że zaczynamy od poprawnego modelu, jest to kluczowe dla naszego ciągłego postępu. "

Duży zakres innych badań, począwszy od badania funkcji enzymów w organizmie, a skończywszy na zrozumieniu, jak organizmy żywe mogą się dobrze rozwijać w trudnych warunkach, w tym temperaturach poniżej zera i środowiskach wysoce kwaśnych, również będą miały wpływ na wyniki zespołu.

menu
menu