Naukowcy z USA znaleźli dowody na to, że powierzchnia ciekłej wody, nawet w temperaturze pokojowej, ma strukturę, która w miarę zbliżania się do granicy faz woda-powietrze coraz bardziej przypomina lód. Phillip Geissler i Nathan Odendahl z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, przeprowadzono symulacje komputerowe nierównego styku powietrza i wody oraz zidentyfikowane uporządkowane motywy, które ich zdaniem mają istotne podobieństwa z lodem.
Od atmosfery po ludzkie płuca, wiele najważniejszych procesów na planecie zachodzi na powierzchni kropelki wody, co daje potencjalne implikacje tych badań w fizyce, chemii i biologii.
„To, nad czym pracowaliśmy przez dziesięciolecia na temat wody w jej masowym środowisku, po prostu okazuje się błędne na stykach” – powiedział Geissler, który wykorzystał symulacje do badania wody na poziomie molekularnym niedostępnym w eksperymentach. Pomiary spektroskopowe granicy faz powietrze-woda dały zaskakujące wyniki, sugerując uporządkowane wiązania wodorowe na powierzchni. Geissler i Odendahl byli ciekawi wcześniejszych symulacji, które sugerowały, że lód jest punktem odniesienia dla struktury wody międzyfazowej, ale nie sądzili, że te wyniki są rozstrzygające. W rezultacie opracowano sposób bardziej szczegółowego wyszukiwania tych wzorców.
Poszukiwanie struktury w nieładzie
Woda w stanie ciekłym jest nieuporządkowana, dlatego badacze wiedzieli, że trudno będzie znaleźć struktury, których szukają, ponieważ rozciągają się na zaledwie kilka cząsteczek i są ukryte pod hałasem. Wpadli na pomysł, że poprzednim badaczom brakowało szczegółów, ponieważ traktowali interfejs jako płaską płaszczyznę, podczas gdy w rzeczywistości był miękki i wyboisty. Prace nad miękkimi granicami faz powietrze-woda zapoczątkowano ponad 10 lat temu i ujawniły warstwy równoległe do powierzchni, ale Geissler i Odendahl jako pierwsi wykorzystali to do poszukiwania połączenia z lodem.
Geissler powiedział, że był zaskoczony, gdy Odendahl pokazał mu pierwsze wyniki nakładania się warstw lodu i wody i powietrza. Twierdzą, że dzięki dodatkowym szczegółom chwilowego interfejsu warstwy na powierzchni wody można podzielić na podwarstwy (patrz rysunek powyżej). Cechą podstawowej ściany lodu są równoległe podwarstwy, które według duetu wykazują uderzające podobieństwo między warstwami lodu i powierzchni styku woda-powietrze.
Wykorzystując te podwarstwy jako punkt odniesienia, Geissler i Odendahl porównali orientację cząsteczek, wiedząc, że jest ona dobrze zdefiniowana w przypadku czworościennych cząsteczek wody w lodzie. Kiedy badacze mapowali preferowany kierunek wiązań tlen-wodór w pobliżu powierzchni wody, zaobserwowali porządek, który, jak ponownie argumentowali, wydaje się odpowiadać powierzchni lodu. Wzory te obejmują kilka średnic molekularnych, które są większe niż przejściowe struktury czworościenne oczekiwane w wodzie masowej.
Zerwana symetria zmusza wodę do uporządkowania
Argumentując za ich wnioskami, Odendahl stwierdził: „Posiadanie tego elastycznego interfejsu naprawdę dało nam pewność, że możemy stwierdzić, że nie jest to tylko kilka wskaźników przypadkowych. Jeśli spojrzysz na gęstość, jeśli spojrzysz na orientację, jeśli spojrzysz na wiele warstw, po prostu wszystko, na co patrzyliśmy, wydawało się, że pasuje”.
Woda okazuje się być elektrycznie martwa na interfejsach
Jednak interpretacja badań nad statystyczną mechaniką cieczy jest zawsze kontrowersyjna. Ciągła debata na temat granicy faz woda-powietrze sprowadzi się do podstawowego pytania, jak definiuje się lód i czy można powiedzieć, że struktura rozciągająca się na zaledwie kilka cząsteczek ma właściwości krystaliczne. Zastanawiając się nad wynikami, Geissler powiedział: „Mamy teraz strukturalny punkt odniesienia do myślenia o motywach strukturalnych i myślę, że ostatecznie okaże się to bardzo przydatnym narzędziem konceptualnym”.
Badania opisano w Journal of American Chemical Society.
