Szybkość vs powolna woda - wyjaśnienie przejścia od delikatnego do silnego

Anonim

Japoński zespół badawczy pod kierownictwem The University of Tokyo zbadał delikatne i silne przejście wody. W przeciwieństwie do większości cieczy, gdy woda jest chłodzona, tempo wzrostu jej lepkości osiąga maksimum w pewnej niskiej temperaturze. Zespół wykazał, że modelowanie wody jako zależnej od temperatury mieszaniny dwóch stanów - zaburzonej szybkiej wody i lokalnie uporządkowanej wolnej wody - wyjaśniało przejście od delikatnego do silnego i uniknęło błędnych przewidywań wcześniejszych teorii opartych na szklistym zachowaniu.

Woda jest dziwna na wiele sposobów. Niektóre z jego chemicznych dziwactw są znane, takie jak rozszerzanie się, gdy zamarza w lodzie. Mniej znaną ciekawostką, którą dzieli z zaledwie kilkoma innymi płynami, jest przejście od delikatnego do silnego. Wyjaśnienie tego zachowania, które odnosi się do sposobu przepływu zimnej wody, od dawna stanowiło źródło debaty. Teraz naukowcy z Tokio przedstawili przekonujące wyjaśnienie.

Kiedy płyny schładzają się, ich dynamika spowalnia i stają się lepkie. W przypadku większości cieczy szybkość spowalniania jest stała w funkcji temperatury i są one znane jako silne płyny. W przypadku delikatnych cieczy szybkość wzrasta jednak stale wraz ze spadkiem temperatury. Woda jest niezwykła pod tym względem - jest krucha w temperaturze pokojowej, ale silna w niskich temperaturach, gdzie jej szybkość wzrostu lepkości osiąga maksimum.

To kruche do silnego przejście jest nieuchwytne, występujące tylko w schłodzonym systemie, poniżej zwykłego punktu zamarzania wody. Wczesne modele próbowały powiązać je ze szklistą dynamiką, ponieważ woda przechłodzona jest znana jako szkło. Jednakże zespół kierowany przez The University of Tokyo Institute of Industrial Science (IIS) proponuje teorię dwóch państw, w efekcie modelując wodę jako mieszankę dwóch współistniejących płynów.

Matematycznie, silne / kruche rozróżnienie opiera się na prawie Arrheniusza w odniesieniu do procesów dynamicznych - mocne płyny są zgodne z tym prawem, ale w przypadku kruchego, szybki wzrost lepkości jest super-Arrheniusem. Jak podano w czasopiśmie PNAS, zespół IIS zmienił ten pogląd, biorąc pod uwagę, że woda składa się z dwóch stanów, nazywanych "szybkimi" i "powolnymi", które są strukturalnie różne, ale obie spełniają dynamikę Arrheniusa.

"Symulowaliśmy wodę przez dynamikę molekularną i szukaliśmy wzorów strukturalnych" - wyjaśnia współautor badania, Rui Shi. "Cząsteczki H2O zawsze gromadzą się w tetraedry, ale widzieliśmy, że niektóre z tych lokalnych struktur były bardzo uporządkowane, inne mniej." Stany nieuporządkowane odpowiadają szybkiej wodzie i dominują w wysokiej temperaturze, podczas gdy dobrze uporządkowany stan wolny przejmuje się, gdy próbka się ochładza.

Co ważne, równania uzyskane z modelu dwustanowego z powodzeniem przewidują zwrotność kruchego do silnego. Dzieje się to znacznie powyżej punktu przejścia przez szkło - szkliste zachowanie wydaje się być czerwonym śledziem, jeśli chodzi o tę kwestię. Fakt, że szybka woda ma Arrheniuszu, a nie prawo, dynamikę rozwiązuje również błędne przewidywania oparte na wcześniejszych próbach połączenia wrażliwości wody z pewnymi aspektami jej diagramu fazowego.

"Delikatna woda może być iluzją, a pozorne przejście jest artefaktem zależnej od temperatury równowagi dwóch silnych stanów ciekłych" - mówi główny autor Hajime Tanaka. "Obecność dwóch stanów odzwierciedla tendencję wody do tworzenia lokalnych struktur, co jest łatwiejsze w niskiej temperaturze, w rzeczywistości inne ciecze z delikatnym do silnego przejścia, jak krzemionka, również wykazują lokalny porządek. jakiekolwiek szkliste zachowanie odróżnia je od prawdziwych delikatnych płynów. "

menu
menu