Strona główna Aktualności
Przyroda

Zdemaskowano kwantowe szaleństwa najmniejszej kropelki wody

23.03.2016 Przyroda

Fot. Fotolia

Cząsteczki ciekłej wody są w ciągłym ruchu. Teraz już lepiej wiadomo, skąd wśród nich nieustanne zamieszanie. Badacze, m.in. fizyk z Warszawy, opisali kwantowe szaleństwa w najmniejszej możliwej kropelce wody - składającej się z zaledwie sześciu cząsteczek.

Badania kierowane przez Jeremy'ego O. Richardsona z Cambridge opublikowano w prestiżowym tygodniku "Science". W pracach brał udział prof. Zbigniew Kisiel z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie.

 

BURZA W SZKLANCE WODY

 

Wydaje się, że woda - na poziomie molekularnym - to nic skomplikowanego - ot, dwa atomy wodoru połączone z atomem tlenu. A sprawa się na tym nie kończy. Okazuje się, że sąsiadujące ze sobą cząsteczki wody sklejone bywają ze sobą dodatkowo słabymi wiązaniami wodorowymi. To wiązania słabsze niż chemiczne, ale nie można ich całkiem zignorować. To właśnie one decydują o niektórych unikalnych właściwościach wody, np. o tym, w jakiej temperaturze substancja ta wrze czy krzepnie, albo jaka jest jej lepkość czy rozszerzalność cieplna.

 

Cząsteczka wody może połączyć się takimi wiązaniami z maksymalnie czterema swoimi sąsiadami. Takie wiązania powstają spontanicznie między wodorem z wiązania OH jednej cząsteczki wody a atomem tlenu z cząsteczki sąsiedniej.

 

LÓD KRZEPI

 

To właśnie za sprawą dynamiki sieci wiązań wodorowych cząsteczki ciekłej wody są w ruchu. Nie próżnują ani przez chwilę: drgają, przemieszczają się i robią fikołki. Dopiero krzepnięcie stabilizuje te sieci wiązań i utrzymuje brykające wcześniej cząsteczki w ryzach. Naukowcy od dawna zastanawiali się, jak to możliwe, że cząsteczki ciekłej wody są tak ruchliwe, a mimo wszystko dość silnie trzymają się siebie nawzajem. "Dopiero teraz powstały możliwości, by dokładnie to badać na poziomie molekularnym" - mówi w rozmowie z PAP prof. Zbigniew Kisiel.

 

WODA NIEUSTANNIE BIEŻĄCA

 

Niestety trudno zbadać, co na poziomie atomów dzieje się w dużych, widocznych gołym okiem kroplach wody. Za dużo się tam dzieje. Dlatego naukowcy postanowili zacząć od podstaw i przyjrzeć się najmniejszym możliwym klasterkom wody - składającym się z bardzo małej liczby cząsteczek tej substancji. A wbrew pozorom wytworzenie tworu składającego się jedynie z dwóch czy sześciu cząsteczek wody, to spore wyzwanie.

 

JAK DWIE WODY W KROPLI

 

Najmniejsze agregaty cząsteczek wody tworzy się tzw. metodą naddźwiękowej wiązki molekularnej. "Wstrzykujemy parę wodną rozpuszczoną w neutralnym gazie nośnym do zbiornika w wysokiej próżni. W trakcie tego procesu odbywa się ekspansja naddźwiękowa. Wtedy cząsteczki sklejają się ze sobą i tworzą agregaty. Przelatują przez zbiornik, a my je wtedy obserwujemy metodami mikrofalowymi" - opowiada naukowiec.

 

Wcześniej udało się opisać, co się dzieje w agregatach składających się najwyżej z pięciu cząsteczek. Ale były to tylko twory płaskie, dwuwymiarowe, które w wodzie raczej nie są normą. Naukowcy wzięli więc na warsztat najmniejsze trójwymiarowe "kropelki" wody - heksamery, czyli klastry składające się z sześciu cząsteczek wody. Takie klastry znane są od niedawna. Dopiero w 2012 r. opisał je zespół, w którego skład wszedł również prof. Kisiel.

 

WODNE FIKOŁKI

 

 

W najnowszych badaniach naukowcy zajęli się heksamerami wody o kształcie pryzm (każda z sześciu cząsteczek wody znajduje się w jednym z rogów graniastosłupa o podstawie trójkąta). Okazuje się, że mogą być dwie stabilne postaci takich pryzm, a cząsteczki wody chętnie przechodzą z jednej na drugą. Aby było to możliwe, dwie molekuły muszą się jednocześnie troszkę obrócić, zrywając przy tym dwa wiązania wodorowe, by za chwilę utworzyć między sobą dwa podobne, ale nowe takie wiązania.

 

WODA W TUNELU

 

Do zerwania istniejących wiązań wodorowych potrzebna by była spora energia, którą można jednak zaraz oddać - kiedy już powstaną nowe wiązania. Ponieważ taka mikropożyczka energii musiałaby trwać zaledwie milion miliardów razy krócej niż sekunda, jest na to rada. To sztuczka znana z mechaniki kwantowej - tzw. tunelowanie. "Obiekt nie musi przechodzić przez >>górkę energetyczną<< między jedną a drugą postacią, a może przebić się dołem - przejść jak przez >>tunel<<. Energia do zerwania wiązań nie jest wtedy potrzebna" - opowiada o tajnikach mechaniki kwantowej prof. Kisiel. Autorzy publikacji w "Science" są zdania, że takie zjawisko zachodzi właśnie w klastrach wody. To dzięki niemu cząsteczki mogą być w nieustannym ruchu, nie tracąc przy tym niepotrzebnie energii.

 

 

KROPLA W KROPLĘ

 

"Udało nam się więc opisać dynamikę kwantową wody w najmniejszej możliwej kropelce" - komentuje badacz.

 

Wyjaśnia, że także w klastrach wody np. 3- czy 5-cząsteczkowych można było obserwować przeskoki między konfiguracjami. "Ale te agregaty to nie były struktury przestrzenne, jakie są w prawdziwej wodzie. A na dodatek nie wymagały zerwania więcej niż jednego wiązania wodorowego. Wydaje nam się, że procesy, które opisaliśmy, można przełożyć na to, co dzieje się w zwykłych warunkach w wodzie. Wydaje się, że jest to jeden z uniwersalnych procesów" - podsumowuje naukowiec.

 

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

 

lt/ mrt/

Źródło: Zbigniew Kisiel

Źródło: Zbigniew Kisiel

Źródło: Zbigniew Kisiel/Fotolia

Podziel się
Ocena: 0 głosów

Logowanie



Nie pamiętam hasła

Rejestracja

Komentarze: 2
Skomentuj Zobacz wszystkie   Dyskutuj na forum

Uwaga Redakcje!

Wszelkie materiały PAP (w szczególności depesze, zdjęcia, grafiki, pliki video) zamieszczone w serwisie "Nauka w Polsce" chronione są przepisami ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych oraz ustawy z dnia 27 lipca 2001 r. o ochronie baz danych.

 

PAP S.A. zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - www.naukawpolsce.pap.pl. W przypadku portali społecznościowych prosimy o umieszczenie jedynie tytułu i leadu naszej depeszy z linkiem prowadzącym do treści artykułu na naszej stronie, podobnie jak to jest na naszym profilu facebookowym. 

 

Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów video.

 

Informacje tekstowe z kategorii "Świat" można pozyskać odpłatnie abonując Serwis Nauka i Zdrowie PAP. Serwis ten zawiera ponadto wiele innych najnowszych doniesień naukowych z zagranicy oraz materiałów dotyczących szeroko rozumianej problematyki zdrowotnej. 

 

Informacje na temat warunków umowy można uzyskać w Dziale Sprzedaży i Obsługi Klienta PAP, tel.: (+48 22) 509 22 25, e-mail:  pap@pap.pl

 

Informacje o przedruku artykułów z Serwisu Nauka w Polsce, prośby o patronaty medialne, informacje o prowadzonych badaniach, organizowanych konferencjach itd., prosimy przesyłać na adres: naukawpolsce@pap.pl

 

 

Najpopularniejsze materiały

więcej

Książka

Jak promować naukę? Jest nowy, bezpłatny poradnik Jak promować naukę? Jest nowy, bezpłatny poradnik

Jak opowiadać o nauce Kowalskiemu? Gdzie i kiedy promować wyniki badań naukowych? Jak się przygotować do wykładów popularnonaukowych czy wywiadów telewizyjnych? - odpowiedzi na te pytania naukowcy znajdą w bezpłatnym poradniku pt. "Sztuka promocji nauki" wydanym przez OPI.

Więcej

Myśl na dziś

Naukowcy usiłują przekształcić to co niemożliwe – w możliwe. Politycy często chcą przekształcić to co możliwe – w niemożliwe.
Bertrand Russell

Nasz blog

Przełamując efekt Matyldy Przełamując efekt Matyldy

Maria Skłodowska-Curie czy Katherine G. Johnson to kobiety nauki, które odniosły sukces, przełamały społeczną nieufność, zdobyły zasłużone laury, a ostatnio "upomniało się" o nie kino. Jednak tych, których wybitne dokonania naukowe długo pozostawały w cieniu i wciąż są mało znane jest wiele. Cecilia Payne-Gaposchkin, Jocelyn Bell Burnell czy Trottula, to tylko niektóre z nich.

Więcej

Tagi

-->