Para saintis di Universiti Tokyo telah mengkaji secara terperinci struktur air sebagai cecair dan mendapati bahawa sifatnya bergantung pada nisbah keadaan dua fasa.
Semua orang tahu bahawa sifat air berbeza dengan kebanyakan cecair: ia mengembang ketika membeku (oleh itu ais lebih ringan), apabila menguncup, kelikatannya berkurang, dan seterusnya. Sifat-sifat yang kelihatan tidak normal ini dijelaskan kepada kami di sekolah dengan adanya ikatan hidrogen antara molekul. Walau bagaimanapun, butirannya masih kurang difahami, walaupun topik ini sangat penting untuk kimia dan fizik. Sifat khas air juga digunakan dalam bidang perubatan dan teknikal.
Institut Sains Perindustrian Universiti Tokyo dapat maju dalam memahami fenomena struktur air.
Air dalam keadaan cair membentuk struktur tetrahedral yang bersifat tempatan, yang terbentuk dengan bantuan ikatan hidrogen - ini telah lama diketahui. Para saintis Jepun telah menentukan bahawa air bukan hanya "air teratur" di mana "zarah" "tetrahedral air" mengapung: sistem ini mempunyai gambarajah keadaan yang serupa dengan fasa pepejal.
Satu model telah dikembangkan yang menganggap air cair sebagai sistem yang terdiri daripada dua fasa. Yang pertama adalah keadaan yang tidak teratur dengan simetri putaran tinggi. Ringkasnya, ini adalah ketiadaan corak pasti dalam "arah" molekul dalam cecair. Fasa kedua tidak hanya diatur secara tetrahedrally, tetapi juga termodinamik dalam keadaan tidak ada ketenangan. Interaksi keadaan ini dijelaskan oleh parameter lambda (λ), yang bermaksud fizikalnya adalah penilaian kekuatan relatif interaksi intermolekul sepasang dan tiga sifat. Iaitu, yang biasa, antara dua molekul bebas, dan antara molekul yang membentuk struktur tetrahedral. Oleh itu, peningkatan parameter λ menunjukkan peningkatan dalam susunan sistem.
Model ini kelihatan sederhana, tetapi ia dapat meramalkan kelakuan tidak normal air sebagai cecair.
Salah seorang pemimpin kajian, John Russo, menjelaskan: "… Ketika λ meningkat, cangkang tetrahedral yang terbentuk di sekitar setiap molekul menjadi lebih stabil secara bertenaga." Ini mengimbangi penggunaan tenaga untuk memerintahkan struktur secara keseluruhan. Para saintis, mengubah λ, telah memodelkan diagram fasa, yang strukturnya agak tidak dijangka. Jadi, angka di sebelah kiri menunjukkan struktur air jenis Si34 - ia terbentuk di bawah tekanan negatif. Lebih-lebih lagi, strukturnya adalah clathrate, sebenarnya, ia adalah sebatian inklusi: beberapa molekul air berada di rongga struktur yang dibentuk oleh molekulnya yang lain.
Imej struktur air dalam keadaan fasa Si34 (kiri) dan rajah fasa dalam koordinat λ / tekanan (kanan) / Institut Sains Perindustrian, Universiti Tokyo.
Video promosi:
Pergantungan yang dinyatakan tidak linear, kesan maksimum pada sifat air berlaku pada λ = 23.15.
Hajime Tanaka, salah seorang pemimpin projek, menyatakan peranan penting penyelidikan dalam kimia fizikal.
Hubungan parameter makroskopik seperti kelikatan dengan struktur mikroskopik, yang dihasilkan menggunakan model yang agak sederhana, memang merupakan pencapaian penting. Dari sudut pandangan praktikal, memahami struktur air semestinya membantu pengembangan penapis halus yang cekap.
Anton Bugaychuk
