Η τετραεδρικότητα, είναι το κλειδί για τη μοναδικότητα του νερού!
Μια ερευνητική ομάδα με έδρα την Ιαπωνία έχει μελετήσει την ανώμαλη συμπεριφορά τετραεδρικών υγρών όπως το νερό. Μέσω υπολογιστικής προσομοίωσης, υπολογίζουν τα διαγράμματα φάσεων μιας σειράς μοντέλων υγρών. Μεταβάλλοντας μια παράμετρο που ονομάζεται λάμδα (λ), η οποία ελέγχει την ποσότητα της τετραεδρικής δομής στο υγρό, διαπίστωσαν ότι τα υγρά με μεγαλύτερη λ έδειξαν περισσότερες ανωμαλίες, όπως η χαμηλή θερμοκρασία επέκτασης. Η τιμή του νερού του λ μεγιστοποιεί την επίδραση της τετραεδρικής απόστασης, εξ ου και των ιδιαίτερα ασυνήθιστων ιδιοτήτων της.
Το νερό κατέχει μια ιδιαίτερη θέση ανάμεσα στα υγρά για τις ασυνήθιστες ιδιότητές του και παραμένει ελάχιστα κατανοητό. Για παράδειγμα, επεκτείνεται μόνο κατά την κατάψυξη σε πάγο και γίνεται λιγότερο ιξώδης υπό συμπίεση, γύρω από την ατμοσφαιρική πίεση. Ο εξορθολογισμός αυτών των ιδιαιτεροτήτων είναι μια σημαντική πρόκληση για τη φυσική και τη χημεία. Πρόσφατη έρευνα που διεξάγεται από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τόκιο (IIS) υποδηλώνει ότι απορρέουν από το βαθμό δομικής διαταγής του υγρού.
Το νερό ανήκει σε μια κατηγορία υγρών των οποίων τα σωματίδια σχηματίζουν τοπικές τετραεδρικές δομές. Η τετραεδρικότητα του νερού είναι συνέπεια των δεσμών υδρογόνου μεταξύ μορίων, οι οποίες περιορίζονται σε σταθερές κατευθύνσεις. Σε μια μελέτη στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών ( PNAS ), οι ερευνητές διερεύνησαν γιατί οι φυσικές ιδιότητες του νερού όπως εκφράζονται στο διάγραμμα φάσεων του είναι τόσο αξιοσημείωτες, ακόμη και σε σύγκριση με άλλα τετραεδρικά υγρά όπως το πυρίτιο και ο άνθρακας.
Τα τετραεδρικά υγρά συχνά προσομοιάζονται από ένα ενεργειακό δυναμικό που ονομάζεται μοντέλο SW. Το υγρό θεωρείται ότι περιέχει δύο φάσεις σε θερμοδυναμική ισορροπία - μια διαταραγμένη κατάσταση που έχει υψηλή περιστροφική συμμετρία, και μια τετράεδρα ταξινομημένη κατάσταση που δεν το κάνει. Παρά την απλότητα της, το μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια ανώμαλες συμπεριφορές υγρών. Η ιδιότητα των δύο καταστάσεων ελέγχεται από την παράμετρο lambda (λ), η οποία περιγράφει τη σχετική ισχύ αλληλομοριακών αλληλεπιδράσεων ζεύγους και τριχών. Όσο υψηλότερη λ είναι, ο βαθμός της τετραεδρικής αύξησης της τάξης.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι το λ,
... το οποίο είναι αρκετά μεγάλο για το νερό, ήταν το κλειδί για τη μοναδικότητα αυτών των υγρών», λέει ο συγγραφέας John Russo. "Αποτελεσματικά, το λ ελέγχει το βαθμό τετραδενικότητας: καθώς αυξάνεται το λ, τα τετραεδρικά κελύφη που σχηματίζουν γύρω από κάθε μόριο, γίνονται πιο ενεργά σταθερά. Τα τοπικά τετραέδρια μοιάζουν με δομές στερεάς κατάστασης, γι 'αυτό και τα υγρά με υψηλό λ κρυσταλλώνονται ευκολότερα.
Με τη συνεχή προσαρμογή του λ, προσομοίωσαν ένα σύνολο διαγραμμάτων φάσης για να μοντελοποιήσουν τι συμβαίνει όταν ένα "απλό" υγρό γίνεται προοδευτικά περισσότερο νερό. Με την αύξηση του λ, οι διάφορες θερμοδυναμικές και δυναμικές ανωμαλίες των τετραεδρικών υγρών - όπως η διόγκωση σε χαμηλή θερμοκρασία και το σπάσιμο του τυπικού νόμου Arrhenius για διάχυση - έγιναν πιο έντονες.
Ωστόσο, δεν ήταν τόσο απλό όσο "τα περισσότερα τετράεδρα ισοδυναμούν με πιο περίπλοκη συμπεριφορά". Η επίδραση της τετραδενικότητας μεγιστοποιήθηκε για το νερό, το οποίο έχει λ = 23,15. Πάνω από εδώ, η συμπεριφορά της πυκνότητας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας πλησίασε και πάλι κανονικά, επειδή η διαφορά στον όγκο μεταξύ των εντοπισμένων και των διαταραγμένων καταστάσεων άρχισε να μειώνεται. Έτσι, το νερό έχει μια εξαιρετικά λεπτή ή "Goldilocks" τιμή του λ που του επιτρέπει να μετατοπίζεται εύκολα μεταξύ τάξης και τυχαίας. Αυτό δίνει μεγάλη δομική ευελιξία ως απάντηση στην μεταβαλλόμενη θερμοκρασία ή πίεση, η οποία είναι η προέλευση της μοναδικής συμπεριφοράς της.
"Η σύνδεση των παρατηρούμενων ιδιοτήτων, όπως το ιξώδες στις μικροσκοπικές δομές, είναι ό, τι είναι η φυσική χημεία", λέει ο συγγραφέας Hajime Tanaka. "Το νερό, η πιο άφθονη και ακόμα πιο ασυνήθιστη ουσία στη γη, ήταν από καιρό το τελικό σύνορο από αυτή την άποψη. Ήμασταν ευτυχείς που ένα απλό, γνωστό μοντέλο μπορεί να εξηγήσει πλήρως την παράξενη κατάσταση του νερού, που προκύπτει από τη λεπτή ισορροπία μεταξύ τάξη και διαταραχή στο υγρό. "
Εξερευνήστε περαιτέρω: Διασπάστε την τοπική συμμετρία - γιατί το νερό παγώνει αλλά το πυρίτιο σχηματίζει ένα ποτήρι
Περισσότερες πληροφορίες: John Russo et al, Ανωμαλίες που μοιάζουν με το νερό ως συνάρτηση του τετραεδρικού χαρακτήρα, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2018). DOI: 10.1073 / pnas.1722339115
Read more at: https://phys.org/news/2018-03-tetrahedrality-key-uniqueness.html#jCp
