Πέντε πράγματα που ακόμα δεν γνωρίζουμε για το νερό
Τι θα μπορούσαμε όχι ξέρετε για το νερό; Είναι υγρό! Είναι σαφές. Προέρχεται από τη βροχή. Βράζει. Κάνει χιόνι και κάνει πάγο! Ξοδεύει πράγματι η κυβέρνησή μας χρήματα από τους φορολογούμενους για να μελετήσετε το νερό; ?”
Αυτό το απόσπασμα είναι από μια από τις τελευταίες συνομιλίες που είχα με την αγαπημένη μου μητέρα, η οποία πέθανε πριν από περίπου επτά χρόνια, ακόμα εξαιρετικά λιτή σε ηλικία 99 ετών. Τα λόγια της αντικατοπτρίζουν μια άποψη που φαινομενικά έχει ο μισός πληθυσμός του κόσμου:Το νερό είναι βαρετό.
Το άλλο μισό του κόσμου, ωστόσο, που ερεθίζεται από την ψευδοεπιστήμη και τους γκουρού της νέας εποχής, φαίνεται να αγοράζει μαγικές ιδιότητες όπως η ομοιοπαθητική, το δομημένο νερό, το πολυνερό και η μνήμη του νερού.
Η αλήθεια βρίσκεται κάπου στη μέση. Ναι, το νερό είναι κοινό - στην πραγματικότητα, είναι το τρίτο πιο κοινό μόριο στο σύμπαν. Αλλά, σε αντίθεση με τις απόψεις της Μητέρας, είναι επίσης απατηλά πολύπλοκο. Εδώ είναι μερικά μόνο από τα επιστημονικά προβλήματα που σχετίζονται με το νερό που παραμένουν ανοιχτά σήμερα:
1. Πόσα είδη πάγου υπάρχουν;
Στην τελευταία καταμέτρηση, υπάρχουν 17 διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές στερεού νερού. Ωστόσο, μόνο μία μορφή — Ice Ih — υπάρχει συνήθως στη Γη έξω από το εργαστήριο. Μια δεύτερη κρυσταλλική μορφή που ονομάζεται Πάγος Ic υπάρχει σε πολύ μικρές ποσότητες στην ανώτερη ατμόσφαιρα και άλλες 15 μορφές εμφανίζονται μόνο σε πολύ υψηλές πιέσεις. (Υπάρχει επίσης πολύ νερό στο διαστρικό διάστημα, αλλά συνήθως είναι ένας άμορφος, μη κρυσταλλικός, υαλώδης πάγος παγωμένος πάνω σε κόκκους σκόνης.)
Η αξιοσημείωτη ποικιλία των κρυσταλλικών μορφών πάγου προκύπτει από το τετραεδρικό δίκτυο ισχυρών δεσμών υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ γειτονικών μορίων νερού. Στις συμπυκνωμένες φάσεις του νερού, κάθε μόριο βελτιστοποιεί την ικανότητα σύνδεσης υδρογόνου σχηματίζοντας τέσσερις δεσμούς υδρογόνου σε σχεδόν τετραεδρικές γωνίες. Οι δεσμοί υδρογόνου μέσα στον πάγο Ih σχηματίζουν μια ανοιχτή, τρισδιάστατη δομή με χαμηλή πυκνότητα.
Η εφαρμογή πίεσης σε τετραεδρικές ουσίες, συμπεριλαμβανομένου του κρυσταλλικού πάγου, του στοιχειακού άνθρακα, του πυριτίου και του φωσφόρου, μπορεί να καταρρέει στερεές μορφές χαμηλής πυκνότητας σε μια ποικιλία δομών διαδοχικά υψηλότερης πυκνότητας, πιθανώς μέχρι να επιτευχθεί το κλειστό όριο. Αυτό παράγει τις 17 μορφές κρυσταλλικού πάγου που έχουμε παρατηρήσει μέχρι τώρα. Υπάρχουν περισσότερα για να ανακαλύψετε;
2. Υπάρχουν Δύο Είδη Υγρού Νερού;
Πριν από αρκετές δεκαετίες, Ιάπωνες επιστήμονες ισχυρίστηκαν ότι παρατήρησαν μεταβάσεις μεταξύ δύο φάσεων άμορφου πάγου υπό υψηλή πίεση. Δεδομένου ότι πιστεύουμε ότι ο άμορφος πάγος είναι ουσιαστικά ένα παγωμένο στιγμιότυπο του αντίστοιχου υγρού, αυτή η παρατήρηση υπονοούσε ότι πρέπει να υπάρχουν δύο τύποι υγρού νερού:κανονικό, χαμηλής πυκνότητας νερό και μια συμπαγής μορφή υψηλής πυκνότητας ανάλογη με τον άμορφο πάγο υψηλής πίεσης.
Μεταγενέστερες προσομοιώσεις υποστήριξαν αυτόν τον ισχυρισμό. Ερεύνησαν το νερό του οποίου η θερμοκρασία ήταν κάτω από το μηδέν, αλλά πάνω από τη «θερμοκρασία ομογενούς πυρήνωσης» του (η θερμοκρασία κάτω από την οποία δεν μπορεί να υπάρξει υγρό νερό). Σε αυτή τη λεγόμενη «βαθιά υπερψυγμένη» περιοχή, οι επιστήμονες είδαν στοιχεία για μια μετάβαση φάσης μεταξύ δύο υγρών μορφών νερού.
Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι αυτά τα αποτελέσματα είναι τεχνουργήματα και ότι τέτοιες μεταβάσεις είναι απίθανο να συμβούν, με βάση τις αρχές της στατιστικής μηχανικής. Το γεγονός ότι εμφανίζονται τόσο μακριά από την ισορροπία τους καθιστά δύσκολο να παρατηρηθούν και να μοντελοποιηθούν—στην πραγματικότητα, η συμπεριφορά μακριά από την ισορροπία είναι ένα τρέχον σύνορο της θεωρίας της συμπυκνωμένης ύλης.
3. Πώς εξατμίζεται το νερό;
Ο ρυθμός εξάτμισης του υγρού νερού είναι μια από τις κύριες αβεβαιότητες στη σύγχρονη κλιματική μοντελοποίηση. Καθορίζει την κατανομή μεγέθους των σταγονιδίων νερού στα σύννεφα, τα οποία, με τη σειρά τους, καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα σύννεφα αντανακλούν, απορροφούν και διασκορπίζουν το φως.
Αλλά ο ακριβής μηχανισμός για το πώς εξατμίζεται το νερό δεν είναι πλήρως κατανοητός. Ο ρυθμός εξάτμισης αντιπροσωπεύεται παραδοσιακά ως ρυθμός σύγκρουσης μεταξύ μορίων, πολλαπλασιαζόμενος με έναν παράγοντα φοντάν που ονομάζεται συντελεστής εξάτμισης, ο οποίος κυμαίνεται μεταξύ μηδέν και ενός. Ο πειραματικός προσδιορισμός αυτού του συντελεστή, που εκτείνεται σε αρκετές δεκαετίες, έχει ποικίλει σε τρεις τάξεις μεγέθους. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί έχουν παρεμποδιστεί από το γεγονός ότι η εξάτμιση είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο γεγονός, που απαιτεί απαγορευτικά μεγάλες και μεγάλες προσομοιώσεις υπολογιστή.
Μαζί με τους συναδέλφους του, ο David Chandler, από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, χρησιμοποίησε μια θεωρία ικανή να περιγράψει τέτοια σπάνια γεγονότα, που ονομάζεται δειγματοληψία διαδρομής μετάβασης, για να υπολογίσει τον συντελεστή εξάτμισης νερού. Έφτασαν σε τιμή κοντά στο ένα. Αυτό αντιστοιχεί αρκετά καλά σε πρόσφατα πειράματα μικρού πίδακα υγρού που παράγουν τιμή 0,6 τόσο για κανονικό όσο και για βαρύ νερό.
Ωστόσο, υπάρχουν μερικές ρυτίδες. Πρώτον, παραμένει ασαφές γιατί τα πειράματα που εκτελούνται υπό πιο σχετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες αποδίδουν πολύ χαμηλότερες τιμές. Επίσης, οι προσομοιώσεις δειγματοληψίας διαδρομής μετάβασης υποδηλώνουν ότι η εξάτμιση βασίζεται σε ένα ανώμαλα μεγάλο τριχοειδές κύμα που τρέχει κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού, το οποίο καταπονεί και αποδυναμώνει τους δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούνται σε ένα μόριο νερού που εξατμίζεται. Η προσθήκη αλάτων στο νερό αυξάνει την επιφανειακή τάση και καταστέλλει το πλάτος του τριχοειδούς κύματος και έτσι θα πρέπει να μειώσει τον ρυθμό εξάτμισης. Αλλά οι πειραματικές μελέτες δείχνουν ελάχιστη ή καθόλου επίδραση όταν προστίθενται άλατα.
4. Είναι η επιφάνεια του υγρού νερού όξινη ή βασική;
Υπάρχει κάτι αξιοσημείωτο στην ομίχλη που περιβάλλει τους καταρράκτες του Νιαγάρα:Τα μεμονωμένα σταγονίδια κινούνται σαν να είναι αρνητικά φορτισμένα. Το ίδιο ισχύει για τους περισσότερους καταρράκτες. Αυτό έχει ερμηνευθεί από καιρό ως ένδειξη για τη συσσώρευση αρνητικών ιόντων υδροξειδίου (OH-) στις επιφάνειες των σταγονιδίων, που θα σήμαινε ότι οι επιφάνειες είναι βασικές - με τιμή pH μεγαλύτερη από το 7 του ουδέτερου νερού. Στην πραγματικότητα, αυτή η σκέψη έχει γίνει δόγμα στην κοινότητα των κολλοειδών επιστημόνων.
Η επιφάνεια του υγρού νερού περιέχει μεγαλύτερο αριθμό σπασμένων δεσμών υδρογόνου, οι οποίοι παράγουν ένα μάλλον διαφορετικό χημικό περιβάλλον από αυτό που βρίσκεται στο χύμα. Ωστόσο, πρόσφατα πειράματα και υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι τα ενυδατωμένα πρωτόνια (H+) κυριαρχούν στην επιφάνεια του υγρού νερού, παράγοντας ένα όξινο (λιγότερο από 7) pH και μια θετικά φορτισμένη επιφάνεια, αντί για μια βασική, αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια.
Πολλές σημαντικές διεργασίες στη χημεία και τη βιολογία, όπως οι ανταλλαγές ατμοσφαιρικού αερολύματος-αερίου, η κατάλυση ενζύμων και η διαμεμβρανική μεταφορά πρωτονίων, περιλαμβάνουν ανταλλαγές πρωτονίων στην επιφάνεια του νερού και εξαρτώνται ρητά από το pH στην επιφάνεια του νερού - μια ποσότητα που είναι προς το παρόν άγνωστη. /P>
5. Είναι διαφορετικό το νανοπεριορισμένο νερό;
Το νερό δεν κυλάει πάντα στους γιγάντιους ωκεανούς. Τόσο στη φύση όσο και στις ανθρωπογενείς συσκευές, το νερό συχνά περιορίζεται σε αφάνταστα μικροσκοπικούς χώρους, όπως αντίστροφα μικκύλια, νανοσωλήνες άνθρακα, μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων και ξηρογέλη (τα οποία είναι υαλώδη στερεά με υψηλή πορώδη υφή).
Τόσο το πείραμα όσο και ο υπολογισμός φαίνεται να υποδεικνύουν ότι το νερό που περιορίζεται από συμπαγή τοιχώματα σε μικροσκοπικές περιοχές του διαστήματος, των οποίων το μέγεθος είναι συγκρίσιμο με αυτό μερικών εκατοντάδων μορίων, αρχίζει να εμφανίζει κβαντομηχανικά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένης της μετεγκατάστασης και της κβαντικής συνοχής. Αυτές οι ιδιότητες είναι εντυπωσιακά διαφορετικές από αυτές του χύδην νερού και θα μπορούσαν να επηρεάσουν τα πάντα, από βιολογικά κύτταρα έως γεωλογικές δομές. Θα μπορούσε επίσης να έχει σημαντική πρακτική σημασία, για παράδειγμα στο σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών συστημάτων αφαλάτωσης.
Ωστόσο, τα τρέχοντα αποτελέσματα παραμένουν κάπως ασαφή και πρέπει να γίνει περισσότερη δουλειά σε αυτόν τον τομέα προκειμένου να προσδιοριστεί η φύση του νερού υπό περιορισμό.
Ο Richard Saykally είναι καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Έχει δημοσιεύσει πάνω από 400 δημοσιεύσεις που έχουν αναφερθεί πάνω από 30.000 φορές.
