พฤติกรรมของนักวิทยาศาสตร์ทางน้ำพบว่าคุณสมบัติใหม่ของ H2O

Anonim

ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบคุณสมบัติของโมเลกุลใหม่ ๆ ของน้ำซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่เคยปรากฏมาก่อน

ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบคุณสมบัติของโมเลกุลใหม่ ๆ ของน้ำซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่เคยปรากฏมาก่อน

น้ำเหลวเป็นที่รู้จักว่าเป็นผู้ขนส่งที่ยอดเยี่ยมในผลิตภัณฑ์ของตนเอง (H 2 O) แบ่งออกเป็นโปรตอน (H +) และไฮดรอกไซด์ไอออน (OH -) คุณสมบัติที่น่าทึ่งของน้ำทำให้เป็นส่วนประกอบสำคัญในเทคโนโลยีการผลิตและจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใหม่เช่นเซลล์เชื้อเพลิง จริงชีวิตตัวเองจะไม่เป็นไปได้ถ้าน้ำไม่ได้มีลักษณะนี้

น้ำเป็นที่รู้กันว่าประกอบด้วยเครือข่ายที่ซับซ้อนของการติดต่อสื่อสารที่อ่อนแอซึ่งเรียกว่าพันธะไฮโดรเจน เป็นเวลาเกือบศตวรรษคิดว่ากลไกที่ส่งน้ำ H + และ OH - ion เป็นภาพสะท้อนของกันและกันเหมือนกันทุกวิถีทางยกเว้นทิศทางของพันธะไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

ปัจจุบันแบบจำลองทางทฤษฎีที่ทันสมัยและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ทำนายความไม่สมดุลขั้นพื้นฐานในกลไกเหล่านี้ ถ้าถูกต้องความไม่เท่าเทียมนี้เป็นสิ่งที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ในการใช้งานที่แตกต่างกันโดยการตัดเย็บระบบเพื่อสนับสนุนไอออนหนึ่งเหนืออีกทางหนึ่ง

หลักฐานการทดลองของการทำนายทางทฤษฎียังไม่สามารถอธิบายได้เนื่องจากความยากลำบากในการสังเกตทั้งสองชนิดของไอออนิกโดยตรง การทดลองที่แตกต่างกันได้ให้เฉพาะ glimpses ของความไม่สมมาตรที่คาดการณ์ไว้เท่านั้น

ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์กซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Alexej Jerschow และ Emilia Silletta ซึ่งเป็นเพื่อนดุษฎีบัณฑิต NYU และ Mark Tuckerman ศาสตราจารย์วิชาเคมีและคณิตศาสตร์ที่ NYU ได้คิดค้นการทดลองใหม่สำหรับการเลียนแบบความไม่เท่าเทียมนี้ วิธีการทดลองเกี่ยวข้องกับการระบายความร้อนลงสู่อุณหภูมิที่เรียกว่าความหนาแน่นสูงสุดซึ่งความไม่สมมาตรคาดว่าจะมีความชัดเจนมากที่สุดจึงทำให้สามารถตรวจจับได้อย่างละเอียด

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าน้ำแข็งลอยตัวอยู่ในน้ำและทะเลสาบแข็งตัวจากด้านบน เนื่องจากโมเลกุลของน้ำบรรจุเข้าไปในโครงสร้างที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าของเหลวน้ำการปรากฎของคุณสมบัติที่ผิดปกติของน้ำความหนาแน่นของของเหลวจะเพิ่มขึ้นเพียงเหนือจุดเยือกแข็งและถึงจุดสูงสุดที่สี่องศาเซลเซียส (39 องศาฟาเรนไฮต์)), อุณหภูมิที่เรียกว่าของความหนาแน่นสูงสุด; ความแตกต่างในความหนาแน่นนี้ชี้ให้เห็นว่าของเหลวอยู่ใต้น้ำแข็งเสมอ

ทีมงานได้ใช้วิธีการสะท้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (วิธีการเดียวกันนี้เป็นทางการแพทย์ในการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) เพื่อแสดงให้เห็นว่าความแตกต่างของอายุขัยของทั้งสองไอออนถึงค่าสูงสุด (อายุการใช้งานที่มากขึ้น การขนส่งช้าลง) การเน้นความแตกต่างของอายุการใช้งานทำให้ความไม่สมดุลกลายเป็นเรื่องที่ชัดเจน

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้น้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งตัวและอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอม แต่อะตอมของไฮโดรเจนเป็นโมเลกุลที่ค่อนข้างเคลื่อนที่และสามารถกระโดดจากโมเลกุลหนึ่งไปสู่อีกดวงหนึ่งได้และนี่คือการกระโดดซึ่งทำให้ทั้งสองชนิดของไอออนิกเคลื่อนที่ได้ในน้ำ

ในการหาคำอธิบายเกี่ยวกับลักษณะที่ขึ้นกับอุณหภูมินักวิจัยได้มุ่งความสนใจไปที่ความเร็วในการกระโดดดังกล่าว

การวิจัยก่อนหน้านี้ได้ชี้ให้เห็นว่าการจัดเรียงพันธบัตรไฮโดรเจนสองรูปแบบ (หนึ่งอันเชื่อมโยงกับแต่ละไอออน) ช่วยให้การกระโดด นักวิจัยพบว่าข้อใดข้อหนึ่งที่นำไปสู่ ​​OH อย่างช้าลงกว่า H + ที่สี่องศาเซลเซียส นักวิจัยรู้สึกว่าต้องมีการเชื่อมโยงปรากฏการณ์ทั้งสองปรากฏว่านี่เป็นอุณหภูมิของความหนาแน่นสูงสุด นอกจากนี้ผลของพวกเขายังแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมการกระโดดของโมเลกุลเปลี่ยนแปลงไปอย่างฉับพลันที่อุณหภูมินี้

"การศึกษาคุณสมบัติของโมเลกุลของน้ำมีความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีบทบาทสำคัญในการทำให้กระบวนการทางสรีรวิทยาและลักษณะที่แพร่หลายของมัน" Jerschow ผู้เขียนที่สอดคล้องกันของการศึกษาครั้งนี้กล่าว การค้นพบใหม่นี้ค่อนข้างน่าแปลกใจและอาจทำให้เข้าใจถึงคุณสมบัติของน้ำได้ลึกซึ้งและมีบทบาทในฐานะของเหลวในปรากฏการณ์ต่างๆของธรรมชาติ

Tuckerman ซึ่งเป็นหนึ่งในนักวิจัยรายแรกที่ทำนายความไม่สมมาตรในกลไกการขนส่งและความแตกต่างในการจัดเตรียมพันธะไฮโดรเจนกล่าวว่า "เป็นเรื่องน่ายินดีที่มีหลักฐานชัดเจนในการทดลองยืนยันการคาดการณ์ก่อนหน้านี้ของเรา วิธีการใช้ประโยชน์จากความไม่สมดุลระหว่าง H + และ OH - transport ในการออกแบบวัสดุใหม่สำหรับการใช้พลังงานที่สะอาดและรู้ว่าเรากำลังเริ่มต้นด้วยรูปแบบที่ถูกต้องซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเรา "

มีการวิจัยอื่น ๆ มากมายตั้งแต่การศึกษาเกี่ยวกับการทำงานของเอนไซม์ในร่างกายเพื่อทำความเข้าใจว่าสิ่งมีชีวิตสามารถเจริญเติบโตได้ในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยรวมถึงอุณหภูมิที่แช่แข็งและสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดสูงจะได้รับผลกระทบจากผลการวิจัยของทีมด้วย

menu
menu