Woda może być cieczą, gazem lub ciałem stałym? Możliwości jest znacznie więcej

Woda może zachowywać się w nietypowy sposób, a naukowcy wreszcie opracowali metody, które pozwolą to przewidzieć.
Woda często może zachowywać się w nietypowy sposób /Fot. Pixabay
Woda często może zachowywać się w nietypowy sposób /Fot. Pixabay

Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge odkryli, że woda w postaci jednocząsteczkowej warstwy nie zachowuje się ani jak ciecz, ani jak ciało stałe. Woda ściśnięta w nanoskali zmienia swoje właściwości. Dzięki opracowaniu nowego sposobu przewidywania tego niezwykłego zachowania z dużą dokładnością, naukowcy wykryli kilka nowych faz wody na poziomie molekularnym. Szczegóły opisano w Nature.

Woda inna niż znamy

Wodę można znaleźć dosłownie wszędzie – w przestrzeniach naszego ciała, na kadłubach samolotów oraz w formacjach skalnych. W nanoskali woda zachowuje się jednak zupełnie inaczej od płynu, który pijemy. Do tej pory nie istniały eksperymenty, które pozwalałyby na pełne zrozumienie tych zjawisk, ale postępy w dziedzinach metod obliczeniowych pozwoliły przewidzieć diagram fazowy warstwy wody o grubości jednej cząsteczki z niespotykaną dotąd dokładnością.

Okazuje się, że woda zamknięta w warstwie o grubości jednej cząsteczki przechodzi przez kilka faz, m.in. fazę heksatyczną i fazę superjonową. W fazie heksatycznej woda nie zachowuje się ani jak ciało stałe, ani jak ciecz – ale jak coś pomiędzy. W fazie superjonowej, która występuje przy wyższych ciśnieniach, woda staje się przewodnikiem, szybko przenosząc protony przez lód w sposób przypominający przepływ elektronów w przewodniku.

Czytaj też: Ponad milion domostw znajdzie się pod wodą. Niepokojące przewidywania klimatologów

Dr Venkat Kapil z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Cambridge mówi:

Faza heksatyczna nie jest ani ciałem stałym, ani cieczą, ale czymś pośrednim, co zgadza się z wcześniejszymi teoriami dotyczącymi materiałów dwuwymiarowych. Nasze podejście sugeruje również, że ta faza może być postrzegana eksperymentalnie poprzez ograniczenie wody w kanale grafenowym. Istnienie fazy superjonowej w łatwo dostępnych warunkach jest osobliwe, ponieważ faza ta jest zwykle spotykana w ekstremalnych warunkach, takich jak jądro Urana i Neptuna. Jednym ze sposobów wizualizacji tej fazy jest to, że atomy tlenu tworzą stałą sieć, a protony przepływają jak ciecz przez sieć, jak dzieci biegnące przez labirynt.

Naukowcy twierdzą, że faza superjonowa może być ważna dla przyszłych baterii, ponieważ wykazuje przewodność elektryczną 100-1000 razy wyższą niż obecne elektrolity. Niewykluczone, że nie tylko woda wykazuje właściwości superjonowe, a wiele innych związków można zmodyfikować w ten sposób.