Эрдэмтэд усны шинэ төлөвийг илрүүлжээ

2024 Зохиолч: Seth Attwood | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-16 16:12

Сургуулийн байгалийн ухааны хичээл дээр бидний сурдаг үндсэн зүйлсийн нэг бол ус хатуу мөс, шингэн ус эсвэл хийн уур гэсэн гурван өөр төлөвт байж болно. Гэвч саяхан олон улсын эрдэмтдийн баг шингэн ус хоёр өөр мужид оршин тогтнож болох шинж тэмдгийг олж илрүүлжээ.

Эрдэмтэд судалгааны ажил хийж байх зуураа олон улсын нанотехнологийн сэтгүүлд нийтлэгдсэн бөгөөд 50-60 хэмийн температуртай усанд хэд хэдэн шинж чанар өөрчлөгддөг болохыг эрдэмтэд санамсаргүйгээр олж мэдэв. Усны хоёр дахь шингэн төлөв байж болзошгүй гэсэн энэхүү шинж тэмдэг нь шинжлэх ухааны хүрээлэлд ширүүн маргаан үүсгэв. Хэрэв энэ нээлт батлагдвал нанотехнологи, биологи зэрэг олон салбарт хэрэглэгдэх болно.

"Үе шат" гэж нэрлэгддэг агрегат төлөвүүд нь атом ба молекулын системийн онолын гол ойлголт юм. Товчоор хэлбэл, олон молекулаас бүрдэх системийг нийт энергийн хэмжээнээс хамааран тодорхой тооны тохиргооны хэлбэрээр зохион байгуулж болно. Өндөр температурт (мөн эрчим хүчний өндөр түвшинд) молекулуудад илүү олон тооны тохиргоо байдаг, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь хатуу зохион байгуулалттай, харьцангуй чөлөөтэй хөдөлдөг (хийн фаз). Бага температурт молекулууд нь цөөн тооны тохиргоотой бөгөөд илүү зохион байгуулалттай (шингэн) үе шатанд байдаг. Температур нь бүр багасвал тэдгээр нь тодорхой нэг тохиргоог авч, хатуу хэлбэрийг бий болгоно.

Энэ нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл эсвэл метан зэрэг гурван өөр төлөвтэй (шингэн, хатуу, хий) харьцангуй энгийн молекулуудын ерөнхий төлөв юм. Гэхдээ илүү төвөгтэй молекулууд нь илүү олон тооны боломжит тохиргоотой байдаг бөгөөд энэ нь фазын тоо нэмэгддэг гэсэн үг юм. Үүний гайхалтай жишээ бол органик молекулуудын нэгдлээс үүссэн шингэн талстуудын хос шинж чанар бөгөөд шингэн шиг урсах чадвартай боловч хатуу талст бүтэцтэй хэвээр байна.

Бодисын үе шатууд нь молекулын тохиргоогоор тодорхойлогддог тул бодис нэг төлөвөөс нөгөөд шилжихэд олон физик шинж чанар эрс өөрчлөгддөг. Дээр дурдсан судалгаанд эрдэмтэд ердийн атмосферийн нөхцөлд (ус шингэн байхын тулд) усны хяналтын хэд хэдэн шинж чанарыг 0-100 хэмийн хооронд хэмжсэн. Гэнэтийн байдлаар тэд усны гадаргуугийн хурцадмал байдал, хугарлын индекс (гэрэл усаар хэрхэн дамждагийг илэрхийлдэг индекс) зэрэг шинж чанаруудын 50 хэм орчим температурт эрс өөрчлөлтийг олж мэдэв.

Тусгай бүтэц

Энэ яаж боломжтой вэ? Усны молекул H₂O-ийн бүтэц нь маш сонирхолтой бөгөөд хүчилтөрөгчийн атом нь дээд хэсэгт байрладаг бөгөөд хоёр устөрөгчийн атом нь хажуу талаас нь "дагалдан" байдаг нэг төрлийн сумаар дүрслэгдэж болно. Молекул дахь электронууд тэгш хэмтэй бус тархсан байдаг тул молекул нь устөрөгчтэй харьцуулахад хүчилтөрөгчийн талаас сөрөг цэнэгийг хүлээн авдаг. Энэхүү энгийн бүтцийн онцлог нь усны молекулууд бие биетэйгээ тодорхой байдлаар харилцан үйлчилж эхэлдэг бөгөөд тэдгээрийн эсрэг цэнэгүүд татагдаж, устөрөгчийн холбоо гэж нэрлэгддэг.

Энэ нь ихэнх тохиолдолд ус бусад энгийн шингэнээс өөрөөр ажиллах боломжийг олгодог. Жишээлбэл, бусад ихэнх бодисоос ялгаатай нь тодорхой массын ус нь молекулууд нь тодорхой тогтмол бүтцийг бүрдүүлдэг тул хатуу төлөвт (мөс хэлбэрээр) шингэн төлөвөөс илүү их зай эзэлдэг. Өөр нэг жишээ бол шингэн усны гадаргуугийн хурцадмал байдал нь бусад туйлтгүй, энгийн шингэнээс хоёр дахин их байдаг.

Ус нь маш энгийн, гэхдээ хэтэрхий их биш юм. Энэ нь усны нэмэлт фазын цорын ганц тайлбар нь шингэн болор шиг аашилдаг гэсэн үг юм. Молекулуудын хоорондох устөрөгчийн холбоо нь бага температурт тодорхой дарааллыг хадгалдаг боловч температур нэмэгдэх тусам өөр, илүү чөлөөтэй төлөвт орж болно. Энэ нь эрдэмтдийн судалгааны явцад ажиглагдсан мэдэгдэхүйц хазайлтыг тайлбарлаж байна.

Хэрэв энэ нь батлагдвал зохиогчдын дүгнэлт олон ашиг тустай байж болно. Жишээлбэл, хэрэв хүрээлэн буй орчны өөрчлөлт (температур гэх мэт) нь бодисын физик шинж чанарыг өөрчлөхөд хүргэдэг бол онолын хувьд үүнийг дуу авианы төхөөрөмжийг бий болгоход ашиглаж болно. Эсвэл та илүү үндсээр нь хандаж болно - биологийн системүүд нь голчлон уснаас бүрддэг. Органик молекулууд (уураг гэх мэт) бие биетэйгээ хэрхэн харьцах нь усны молекулууд шингэн фазыг хэрхэн бүрдүүлэхээс хамаарна. Хэрэв та усны молекулууд өөр өөр температурт дунджаар хэрхэн ажилладагийг ойлговол биологийн системд хэрхэн харилцан үйлчилдгийг тодруулж болно.

Энэхүү нээлт нь онолчид, туршилтчдын хувьд маш том боломж төдийгүй хамгийн танил бодис ч дотроо нууцыг нууж чаддагийн гайхалтай жишээ юм.

Родриго Ледесма Агилар