Obnašanje vodnih znanstvenikov poišče nove lastnosti H2O

The Choice is Ours (2016) Official Full Version (Junij 2019).

Anonim

Skupina znanstvenikov je odkrila nove molekularne lastnosti vode - odkritje pojavov, ki so prej izgubili neopaženo.

Skupina znanstvenikov je odkrila nove molekularne lastnosti vode - odkritje pojavov, ki so prej izgubili neopaženo.

Znano je, da je tekoča voda odličen prevoznik lastnih izdelkov za avtokozijo; to je zaračunane vrste, pridobljene, ko je molekula vode (H 2 O) razdeljena na protonske (H +) in hidroksidne ione (OH -). Ta izredna lastnost vode postane kritična sestavina v nastajajočih tehnologijah za proizvodnjo in shranjevanje elektrokemičnih energij, kot so gorivne celice; resnično, življenje sama ne bi bilo mogoče, če voda nima te značilnosti.

Zdi se, da voda zajema zapleteno mrežo šibkih, smernih interakcij, znanih kot vodikove vezi. Že skoraj stoletje je bilo mišljeno, da so mehanizmi, s katerimi voda prevaža H + in OH - ione, ogledali drug drugega - identični v vseh pogledih, razen smeri vodikovih vezi, vključenih v proces.

Sedanji najsodobnejši teoretični modeli in računalniške simulacije pa so v teh mehanizmih napovedali temeljno asimetričnost. Če je to pravilno, je ta asimetrija nekaj, kar bi se lahko izkoristilo v različnih aplikacijah, tako da bi sistem prilagodil prednost ionu nad drugim.

Eksperimentalni dokaz teoretićne napovedi je ostal nezadosten zaradi teżav pri neposrednem opazovanju dveh ionskih vrst. Različni eksperimenti so zagotovili le vidike napovedane asimetrije.

Ekipa znanstvenikov na univerzi v New Yorku, ki jo vodi profesor Alexej Jerschow, vključno z Emilia Silletta, podiplomskim študentom NYU, in Markom Tuckermanom, profesorjem kemije in matematike na NYU, je pripravila nov poskus za uničenje te asimetrije. Eksperimentalni pristop je vključeval hlajenje vode do svoje tako imenovane temperature maksimalne gostote, pri kateri naj bi se asimetrija pričakovala, da bo najbolj očitna in s tem omogočila natančno zaznavanje.

Splošno je vedeti, da led pade na vodo in da jezera zamrznejo z vrha. To je zato, ker molekule vode zapakirajo v strukturo z manjšo gostoto kot pa tekoča voda - manifestacija nenavadnih lastnosti vode: gostota tekoče vode se povečuje tik nad zmrziščjo in doseže največ štiri stopnje Celzija (39 stopinj Celzija)), tako imenovana temperatura maksimalne gostote; ta razlika v gostoti narekuje, da se tekočina vedno nahaja pod ledom.

Z ohlajanjem vode do te temperature je ekipa uporabljala metode jedrske magnetne resonance (enaka vrsta pristopa je medicinsko v slikanju z magnetno resonanco), da bi pokazali, da razlika v življenjskih dobah dveh ionov doseže največjo vrednost (večja je življenjska doba, počasnejši prevoz). S poudarjanjem razlike v življenjski dobi je asimetrija postala očitno jasna.

Kot je bilo že omenjeno, je voda sestavljena iz enega atoma kisika in dveh atomov vodika, vendar so atomi vodika sorazmerno mobilni in lahko segajo od ene molekule do druge, in to je skakanje, zaradi katerega so dve ionski vrsti tako mobilni v vodi.

Raziskovalci so pri iskanju razlage glede temperaturno odvisnih lastnosti osredotočili na hitrost, s katero lahko pride do takšnega hmelja.

Predhodne raziskave so pokazale, da hmelj olajšata dve glavni geometrijski aranžmaji vodikovih vezi (ena, povezana z vsakim ionom). Raziskovalci so ugotovili, da je eden od dogovorov pripeljal do znatno počasnejšega hmelja za OH - kot pri H + pri štirih stopinjah Celzija. Ker je to tudi temperatura maksimalne gostote, so raziskovalci menili, da je treba ta dva fenomena povezati. Poleg tega so njihovi rezultati pokazali, da se je nihanje molekul nenadoma na tej temperaturi spremenilo.

"Študija vodnih molekularnih lastnosti je intenzivno zanimiva zaradi svoje osrednje vloge pri omogočanju fizioloških procesov in njene vseprisotne narave, " pravi Jerschow, ustrezni avtor te študije. "Nova ugotovitev je precej presenetljiva in lahko omogoča globlje razumevanje lastnosti vode in njeno vlogo tekočine v mnogih pojavih narave".

Tuckerman, ki je bil eden prvih raziskovalcev, ki je napovedal asimetrijo v transportnih mehanizmih in razliko v dogovorih o vodikovi vezi, pravi: "To je zadovoljen, da je ta jasen poskus dokazov potrdil naše prejšnje napovedi. načine za izkoriščanje asimetrije med H + in OH - transportom za oblikovanje novih materialov za čiste energetske aplikacije in vedeti, da začenjamo s pravilnim modelom, ki je osrednjega pomena za naš nadaljnji napredek. "

Izsledki ekipe bodo vplivali tudi veliki rezultati drugih raziskav, od študije funkcije encimov v telesu do razumevanja, kako lahko živi organizmi uspevajo v težkih pogojih, vključno s temperaturo pod mehurjem in visoko kislem okoljem.

menu
menu