Su bir sıvı değil, iki mi? !
Bu makale, WeChat genel hesabı "Research Circle" (ID: keyanquan) tarafından yeniden basılma yetkisine sahiptir.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Resim kaynağı: Phys.org
Katharine Sanderson tarafından yazıldı.
Çeviri Jia Xiaoxuan
Wei Xiao'yu Düzenle
Yeryüzündeki en değerli sıvı aslında çok tuhaftır ve onun tuhaflıkları hayatta kalmamızı sağlar. Son zamanlarda, bir deney suyun gerçek yüzünü ortaya çıkardı: Su bir değil iki sıvıdır .
Kariyerinin çoğunu su üzerinde çalışarak geçirmiş olan Anders Nilsson, "Su gerçekten harika" dedi. Onun görüşünü anlamak zor olabilir - sonuçta sudan daha sıradan ne olabilir ki ? Özellikleri uzun zamandır biliniyor ve görünüşü o kadar sıradan ki, kafamız karıştı ve suyun aşağı yukarı diğer maddelerle aynı olduğunu düşünüyoruz. Ama aslında suyun kendine özgü özellikleri benzersizdir ve öyle olmasaydı hiçbirimiz bunu fark etmezdik.
Örneğin, 4 ° C su buzdan daha az yoğunsa, göller ve nehirler dipten donmaya başlar ve içindeki balıklar yavaş yavaş donarak ölür; suyun ısıyı emme yeteneği çok güçlü değilse, o zaman biz Tüm gezegen uzun süre kaynadı; su molekülleri damarlardan akarken ve hücre zarlarına nüfuz ederken yeterli kimyasal taşıyamazsa, o zaman hayvanlar ve bitkiler yetersiz beslenmeden ölecek.
Bilim adamları, en azından Galileo'nun zamanından beri suyun tekilliğini araştırıyorlar, ancak boşuna. Şimdiye kadar, Nielsen ve diğerlerinin çalışmaları nihayet bize suyun özellikleri hakkında bir fikir verdi. Verdikleri açıklama, suyun kendisi kadar harika: su bir değil, iki sıvıdır.
Su / görüntü kaynağının şematik diyagramı: Lotus Studio
Suyun bir dereceye kadar pek çok formu vardır ki bu şaşırtıcı değildir. Sıcaklığa ve basınca bağlı olarak suyun üç aşaması vardır: katı faz, sıvı faz ve gaz fazı. Deniz seviyesindeki suyun kaynama noktası 100 ° C'dir; ancak yüksek rakımlı bölgelerde hava basıncı düştükçe su daha düşük bir sıcaklıkta kaynayabilir - bu da çay yapmak için zaman kazandırır ancak demlenen çay iyi değildir. İçmek.
Çoğu durumda, sıvı ve gaz fazı arasında açık bir ayrım vardır. Ancak sıcaklığı ve basıncı artırın, iki faz değişmeye başlayacaktır. Sıkıştırma derecesi arttıkça, gaz fazı sıvı fazın özelliklerini gösterecektir; Benzer şekilde, sıcaklık arttıkça sıvı faz da yavaş yavaş gaz fazının özelliklerini gösterecektir. Basınç veya sıcaklık, "kritik nokta" adı verilen hassas bir dengeye ulaşılana kadar yeterince yüksekse, iki fazı ayırt etmek zor olacaktır. . Sıcaklık veya basınç biraz azaldığı sürece, su tek fazlı duruma döner.
Sıradan ve büyülü su
Suyun aslında iki sıvı olmasının nedeni budur. Basınçtan bağımsız olarak, hemen hemen tüm maddeler yüksek sıcaklıkta gaz-sıvı faz geçişi kritik noktasına sahiptir ve birkaç malzeme düşük sıcaklıkta ikinci kritik noktaya sahiptir. . Örneğin, uygun koşullar altında bir sıvı silikon ve germanyum karışımını soğutursanız, farklı yoğunluklarda iki sıvıdan oluşan bir "karışık sıvı" elde edebilirsiniz. İki sıvı aynı atomik bileşime ancak farklı konfigürasyonlara sahiptir, bu nedenle özellikleri farklıdır.
İkinci kritik nokta özel olmakla birlikte, sadece akademik araştırmalar için kullanılabilir. Sıvı silikon konusunda uzman değilseniz bu sorunları fark etmemiş olabilirsiniz.
Ancak 1992'de, Boston Üniversitesi'nden Peter Poole ve Gene Stanley ekibi, geleneksel bilgeliği alt üst etti. Önceki deneyler, su yoğunluğunun düşük sıcaklıklarda dalgalandığını göstermiştir.Sıcaklık ne kadar düşükse, yoğunluk dalgalanmaları o kadar büyük olur. Önceki tahminlerle bu çelişkiyle çok ilgileniyorlar. Çünkü normal şartlar altında sıcaklık ne kadar düşükse yoğunluk dalgalanması o kadar küçük olmalıdır.
Resim kaynağı: GIFER
Poole ve Stanleyin ekibi fenomenin arkasındaki mikro mekanizmaları keşfetmek için simüle etti Su çok soğuk Sıcaklık donma noktasının altına düştüğünde sıvı fazda kalmasını sağlamak için dikkatlice soğutma işlemi. Simülasyon sonuçları şunu göstermektedir: Süper soğutulmuş su, yoğunluk dalgalanmalarına sahiptir ve yoğunluk dalgalanmaları sıcaklık azaldıkça artar . Araştırma giderek daha ilginç hale geldi.
Poole ve Stanleynin ekibi bunun ikinci devrilme noktasının özelliği olduğunu düşünüyor: İkinci kritik noktaya ulaşıldığında, su farklı yoğunluklarda iki sıvıya bölünecektir - her biri bir aşamadır; bu kritik noktadan sonra, iki fazı ayırt etmek zordur ve su iki faz arasında hızla değişir. . İki fazın farklı özellikleri nedeniyle, suyun yoğunluğu iki fazdan birine dönüştüğünde hızla değişir ve böylece ikinci kritik noktayı oluşturur.
Suyun iki kritik noktası olabileceğine inanıyorlar. Bu görüş ana akıma aykırı. . Nelson, "Su ile ilgili her şey tartışmalı." Dedi. Çoğu araştırmacı, suyun doğasının daha geleneksel teorilerle açıklanabileceğine inanıyor. Bir görüş, çok düşük sıcaklıklarda aşırı soğutulmuş suyun kristal bir yapıya sahip buzdan ziyade düzensiz bir katıya dönüşeceğidir. Bazı insanlar bu sözde ikinci kritik noktanın aslında su donduğunda özel bir fenomen olduğunu düşünüyor.
Kanıt 26 yıl geç
Poole ve Stanley'nin ekibi, "ikinci kritik nokta" fikrini deneylerle kanıtlamanın çok zor ve neredeyse imkansız olduğu konusunda çok net. İkinci kritik noktanın sıcaklığı -45 ° C'dir ve aşırı soğutulmuş su, bu kadar düşük bir sıcaklıkta kendiliğinden buz halinde kristalleşecektir. Stanley şöyle dedi: " En büyük zorluk, suyun çok çok hızlı bir şekilde nasıl soğutulacağıdır. . Deneyi tasarlayan kişinin çok akıllı olması gerekiyor. "
İsveç'teki Stockholm Üniversitesi'nden Nielsen, bu meydan okumanın cazibesini reddedemedi. O ve ekibi uzun yıllardır suyun kendine özgü özelliklerini incelemeye odaklanıyor ve Poole ve Stanley iki sıvı fikriyle çok ilgileniyorlar. 21. yüzyılın başında, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında su üzerine yapılan araştırmalar Nielsen'i ikna etti: İki farklı su molekülü düzenlemesi olabilir: biri yoğun bir şekilde paketlenmiş ve düzensizdir ve diğeri daha düşük yoğunluklu düzenli bir dört yüzlü düzenlemeye sahiptir. . Deneyleri gösteriyor ki Oda sıcaklığında, düşük yoğunluklu sıralı faz kümeleri, yüksek yoğunluklu düzensiz fazda rastgele dağıtılır . Ancak meslektaşları onun görüşlerine katılmıyor.
Su moleküllerinin düzenleme yapısı: düşük yoğunlukta dört yüzlü düzenleme (solda) ve yüksek yoğunlukta düzensiz düzenleme.
Daha sonra 2008'deki bir dizi toplantıda, artık çevresel araştırmalarla sınırlı kalmadı ve soğuk su üzerinde çalışan birçok meslektaşı ile tanıştı. Nelson çok geçmeden görüşlerinin birleştirilebileceğini keşfetti. Ne de olsa su bir maddedir: "Oda sıcaklığında aynı olamaz, ancak çok soğuk olduğunda başka bir şey olur." Nelson fırsatın burada olduğunu düşünüyor. "Bu alandaki neredeyse tüm teorisyenler herhangi bir deney yapmadı, bu yüzden benim dahil olmam uygun."
Nielsen, suyun ikinci kritik noktasının varlığını kanıtlamaya odaklandı ve Poole ve Stanley'nin aşırı soğutulmuş suyun sıcaklık düştükçe yoğunluk dalgalanmaları oluşturacağına dair temel tahminini doğrulamaya odaklandı. . Deneysel plan basittir: Yoğunluk dalgalanmalarını ölçün ve ardından sıcaklığı değiştirerek dalgalanmaları artırın. Bu yol boyunca Stanley, öncü kimyager Widom'un adını verdi - sonunda ikinci devrilme noktasına ulaştı. Roma Tre Üniversitesi'nde teorik fizikçi olan Paola Gallo da aynı fikirde: "Widhom yoluna ulaşıldığında, kritik fenomenler kesinlikle gözlemlenecek."
Ünlü kimyager Benjamin Widom
Ancak deney hiç de basit değil. Su, küçük safsızlıklar etrafında buz kristallerine yoğunlaştığı için, Nelson suyun donma eğilimine direnmelidir. 2017'de Güney Kore'deki en gelişmiş ekipmanı kullanan Nielsenın ekibi ultra saf suyu vakum odasına düşürdü ve -45 ° C'ye kadar soğuttu. Damlama işlemi sırasında Nielsen, su damlasının hacmindeki değişikliği ölçerek su damlasının yoğunluğu ile basınç arasındaki ilişkiyi elde etti.
Aralık 2017'de Nielsen ve diğerleri, aşırı soğutulmuş su katılaşmadan önce çekilmiş fotoğrafları gösteren deneyin sonuçlarını yayınladı. Aynı zamanda araştırmacılar, Widhom yolunun varlığına dair kışkırtıcı kanıtlar bulduklarına inanıyorlar, bu da herkesi ikinci kritik noktayı keşfetmeye yönlendirecek.
Kağıttaki ek materyallerde Nielsen ekibi tarafından gösterilen fotoğraflar
Gallo, Nielsen'in deneysel sonuçlarının çok önemli olduğuna inanıyor, ancak diğer araştırmacılar, ekibin deneysel tekniklerine olan hayranlıklarına rağmen, sonuçlarına şüpheyle bakıyorlar. İngiltere, Harwell'deki Rutherford Appleton Bilim ve Teknoloji Tesisleri Konseyi (STFC) Laboratuvarı'ndan Alan Soper, bu deneyin kritikliğin varlığını kanıtlayabileceğini söyledi. Kanıt noktası "sıfıra yakın" dır. " Nelson tarafından gözlemlenen hacim değişikliği çok küçüktür ve birçok olası açıklaması vardır: İkinci kritik noktanın varlığı, çeşitli olasılıklardan yalnızca biridir. "
California Üniversitesi'nden (Berkeley) Rich Saykally de şüpheci: "Uzmanlar, süslü sonuçlarla ikna edilemez ve daha fazla kanıta ihtiyaç var." Ve Poole ve Stanley karşı çıktı. Diğeri gibi, o da bu sonuçların düşük sıcaklıklarda özel su katılaşması fenomeni ile açıklanabileceğine inanıyor.
Bununla birlikte, Mart 2018'de, bize su konusunda hala araştırma yapmak için yer olduğunu söyleyen başka bir kanıt seti ortaya çıktı. Nielsen'in deneyinin aksine Amsterdam Üniversitesi'nden Sander Woutersen, suyun katılaşmasını ve kristalleşmesini önlemek için başka bir yöntem kullandı: antifriz . Etrafındaki sıvı suda iyi çözünebilen suya benzer moleküler yapıya sahip bir antifriz dikkatle seçtiler. Yukarıdaki karışım soğutulduğunda yoğunluğu aniden değişti. Seçilen çözünen madde yapı olarak saf suya çok benzediğinden, deneysel sonuçların suyun ikinci bir kritik noktaya sahip olduğunu kanıtlayabileceğine inanıyorlar. Princeton Üniversitesi'nden Pablo Debenedetti övdü: "Bu çalışma çok güzel." Bu sonucun "suyun iki aşamadan oluştuğu" görüşünü desteklediğine inanıyor, ancak desteklemiyor. Çalışmayı bitir.
26 yıl sürmesine rağmen, iki grup titiz deneyci sonunda Poole ve Stanley'nin varsayımlarını sağlam deneysel sonuçlarla verdi - sadece birkaç ay arayla. Stanley, "Bilim çok ilginç" dedi.
Hayatın kaynağı
Bu teori doğruysa sonuçları ve etkileri, Nelson ve Watson tarafından laboratuvarda yaratılan özel su durumu ile sınırlı değildir. Nielsen şunları söyledi: "Bütün bu tartışmalar oda sıcaklığını ve yaşam süresini içeriyor." Debenedetti kabul etti: "Deneyin sonuçları geniş kapsamlı etkiye sahip ve sadece kritik nokta ile ilgili değil. Su bir tür sıvıdır ve dış ortamdaki özellikleri aşırı soğutmanın özelliklerini yansıtabilir. . "
İsviçre, Cenevre'deki Rhone ve Aff nehirlerinin birleştiği yer / Fotoğraf: Henryk Sadura / Alamy Stock
London South Bank Üniversitesi'nden (London South Bank Üniversitesi) Martin Chaplin'e göre, Suyun düşük sıcaklıkta iki farklı yapıya sahip olduğu teorisi, normal sıcaklık ve basınçtaki anormal su olgusunu iyi açıklayabilir. . Örneğin, 4 ° C'deki suyun yoğunluğu buzunkinden daha yüksektir, çünkü su, sıcaklık yükseldikçe yüksek yoğunluklu düzensiz bir faza dönüşecektir; su mükemmel bir ısı emme kapasitesine sahiptir çünkü ısı, su moleküllerinin yapısını değiştirecektir. Bir faz başka bir faza dönüşür; Suyun basınç altında yayılma yeteneği hala çok güçlüdür, çünkü yüksek basınç altında hakim olan düzensiz faz güçlü akışkanlığa sahiptir.
Stanley, suyun yaşam için önemini göz önünde bulundurarak, İkinci kritik nokta yakınlarındaki su yoğunluğundaki büyük dalgalanmalar, yaşamın ortaya çıkmasına katkıda bulunan önemli bir faktör olabilir. . Devenedetti bu hipotezi test etmeye çalışıyor. Proteinlerin davranışını farklı sıcaklık ve basınçlarda, özellikle de ikinci kritik noktanın yakınında simüle etmek için bir bilgisayar kullanmayı planlıyor. Devenedetti, bu aşırı koşullar altında hem yüksek hem de düşük yoğunluklu formlarda proteinler ve sıvı su arasındaki etkileşimle ilgileniyor.
Ancak ilk adım, yukarıdaki varsayımların doğruluğunu onaylamaktır. Daha sonraki deneyler bu sorunu çözebilir. Nielsen, ikinci devrilme noktası ve Widome yolu çalışmalarını daha da ilerletmek için Güney Kore'ye dönmeyi planlıyor. Deney başarılı olursa, suyun tuhaf özellikleriyle ilgili gizem çözülecek ve su her zamankinden daha mucizevi hale gelecektir.
Büyülü su
Yeryüzündeki en yaygın suyun birçok sihirli özelliği vardır:
Su eridiğinde hacim olarak küçülür, bu çoğu maddenin tersi bir durumdur;
Suyun yüzey gerilimi çok yüksektir;
Suyu sıkıştırmak zordur;
Yeryüzünde suyun üç hali vardır: katı, gaz ve sıvı;
Su, farklı maddeleri çözme konusunda güçlü bir yeteneğe sahiptir;
Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar Bu fenomene Mpemba etkisi denir.
Orijinal bağlantı:
https://www.newscientist.com/article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/
Bu makale, WeChat genel hesabı "Araştırma Çevresi" (ID: keyanquan) yetkisiyle çoğaltılmıştır.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Editör: Aprilis
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
