Szwedzcy naukowcy odkryli istnienie dwóch odmian wody


Istnienie dwóch odmian wody – o innej strukturze i gęstości – może wyjaśniać różne dziwactwa tej cieczy, dzięki którym możliwe jest życie.

Woda to jedna z najpowszechniejszych, ale i najbardziej zagadkowych substancji na Ziemi. Jest na przykład jedną z bardzo rzadkich cieczy, która osiąga największą gęstość powyżej punktu zamarzania (w temperaturze ok. 4 st. C). Chłodniejsza jest lżejsza, a więc się unosi, dzięki czemu zbiorniki wodne zamarzają od góry, a przy dnie temperatura nigdy nie spada poniżej 4 st. C.

Woda ma też zadziwiająco dużą pojemność cieplną, dzięki czemu morza i oceany łagodzą dobowe wahania temperatury na Ziemi.

W informacji prasowej na temat swojego odkrycia szwedzcy naukowcy podają, że woda odróżnia się od zdecydowanej większości innych cieczy w aż ponad 70 różnych własnościach. Jest zagadką, skąd się bierze ta jej odmienność.

Choć woda jest bardzo prostym związkiem chemicznym – dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu – wciąż nie potrafimy w pełni wyjaśnić jej anomalnych własności.

Wiadomo, że między sąsiednimi cząsteczkami wody tworzą się wiązania wodorowe. Te lokalne połączenia nie są trwałe, stale się zrywają, ale też stale zawiązują się nowe. W temperaturze 20 st. C w każdej chwili aż 80 proc. molekuł wody „trzyma się za rękę”, tworząc co chwila zmieniające się struktury (klatraty).

Kiedy wodę schłodzi się tak szybko, że jej cząsteczki nie zdążą zająć swoich miejsc w uporządkowanej strukturze krystalicznej (np. heksagonalnej, jak w zwykłym płatku śniegu), powstaje tzw. lód bezpostaciowy, zwany też amorficznym. W takim lodzie utrzymany zostaje nieporządek charakterystyczny dla cieczy, tj. cząsteczki wody nie tworzą sieci krystalicznej. Słowem, struktura wody zostaje „zamrożona” w jej chwilowym i chaotycznym stanie. Fachowo mówi się, że ulega zeszkleniu, czyli ma strukturę podobną do szkła.

Naukowców od dawna intryguje to, że lód amorficzny ma dwie odmiany – mniej i bardziej gęstą. Spekulowano, że obie fazy takiego lodu mogą odpowiadać dwóm odmianom ciekłej wody, które mają różną strukturę na poziomie molekularnym.

Teraz szwedzkim naukowcom udało się to potwierdzić. Za pomocą promieniowania rentgenowskiego badali strukturę oraz ruch cząsteczek H2O podczas przemiany bardziej gęstej odmiany amorficznego lodu w mniej gęstą. Odkryli, że ta przemiana na poziomie atomowym przypomina przejście między dwoma ultralepkimi cieczami. Tak jakby rzeczywiście były to dwie odmiany zeszklonej wody – o mniejszej i większej gęstości.

Badania lodu amorficznego promieniami X przeprowadzono w Argonne National Laboratory koło Chicago oraz w laboratorium DESY w Hamburgu. Wyniki publikuje najnowsze wydanie tygodnika „PNAS”.

To fascynujące, że wciąż można dokonywać nowych odkryć na temat wody – mówi Daniel Mariedahl, doktorant na Uniwersytecie Sztokholmskim. – Niewielu wie, że już Wilhelm Röntgen, odkrywca promieniowania X, sugerował, że woda istnieje w dwóch formach i to może wyjaśniać jej dziwactwa i anomalie.

– Prawdopodobnie w temperaturze pokojowej woda nie może się zdecydować, którą formę przyjąć – o niskiej lub wyższej gęstości – więc stale fluktuuje między obiema fazami – mówi Lars G.M. Pettersson, profesor chemii teoretycznej na Uniwersytecie Sztokholmskim. – Można by rzec, że woda to nie jest skomplikowana ciecz, lecz dwie ciecze ze skomplikowanymi relacjami między sobą.

Źródło: phys.org, Więcej na: wyborcza.pl, fot. Mattias Karlén