Un nuevo cuarto estado de las moléculas de agua

El descubrimiento sensacional fue hecho por los físicos americanos: con la ayuda de la simulación computarizada y de la dispersión del neutrón descubrieron un estado absolutamente nuevo de las moléculas de agua - atípico para ningunos de los tres estados agregados sabidos.

Como es sabido, el agua tiene tres estados agregados principales: líquido, sólido y gaseoso. Sin embargo, bajo una gran presión y en un espacio reducido, las moléculas de agua muestran un estado más y no viven según las leyes clásicas, sino por las leyes cuánticas de la física.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en colaboración con el Laboratorio Rutherford Appleton, realizaron un experimento para determinar la condición del fluido en las microfisuras de las rocas, el suelo y también durante el paso a través de las membranas celulares . Sin embargo, el descubrimiento fue mucho más ambicioso e inesperado.

En el transcurso del experimento, el agua se colocó en canales superagonales hexagonales en el mineral berilo (fórmula química Be3Al2Si6O18). Este mineral es la base de las esmeraldas. El diámetro de los canales estudiados es solo de nanómetro 0,5. Al final resultó que, las moléculas de agua exhiben un efecto de túnel cuántico, superando la barrera potencial. Este estado del agua nunca ha sido observado por científicos y no corresponde a ningún estado típico de esta sustancia.

En sí mismo, este fenómeno (túnel cuántico) ha sido conocido desde hace tiempo, pero siempre se ha asumido que existe sólo en la mecánica cuántica.

A temperaturas bajas (5-50 K) este "túnel" demuestra propiedades cuánticas, lo que es imposible en el mundo clásico. "En este caso, el oxígeno y el hidrógeno son" delokalizovanymi "y, por lo tanto, están presentes simultáneamente en seis posiciones simétricas en el canal", - dice el autor principal del estudio, Alexander Kolesnikov, el comunicado de prensa en el sitio web de la Sociedad Americana de Física (APS).

El estudio de las muestras por dispersión de neutrones, así como la simulación computarizada posterior de posibles variantes, mostró que los átomos de la molécula de agua "se deslocalizan" en el espacio dentro del canal hexaédrico, es decir, no tienen ninguna orientación. Están simultáneamente en las seis posiciones posibles.

En un lenguaje simple, este fenómeno se puede describir como sigue. Imagine una molécula de agua en un canal hexagonal. En la molécula hay un átomo de oxígeno, que se encuentra casi exactamente a lo largo del centro del canal, y el vapor de hidrógeno se enfrenta a una de las seis paredes del canal. Girar dentro del canal y pasar de una orientación a otra molécula de agua no puede físicamente - el canal para esto es demasiado estrecho - más precisamente, se pensó anteriormente.

Durante el funcionamiento se descubrió que una molécula de agua todavía puede cambiar la orientación de una pared a la otra, sin haber sido en cierta posición medio - que túneles desde el inicial al punto final de la rotación (la superación de la misma barrera de potencial entre dos posiciones posibles) . Además, puesto que las seis posiciones son equivalentes, el túnel se produce entre todas las posiciones por igual. Es difícil imaginar que, en términos de la física clásica, pero uno puede imaginar que un par de átomos de hidrógeno en la molécula H2O como "extendió" dentro del canal, formando algo así como un donut alrededor del centro de la densidad de canales.

"Los experimentos han mostrado que la energía cinética media de las moléculas de agua son átomos de hidrógeno, que se encuentra en el túnel a una temperatura próxima a cero absoluto de temperatura, aproximadamente 30 por ciento menor que la energía del agua de los átomos de hidrógeno en el líquido convencional o de estado sólido," - Alexander Kolesnikov se refiere a sitio del laboratorio de Oak Ridge, "Y este hecho contradice completamente todos los modelos y teorías existentes".

Es interesante que para que las moléculas de agua pasen al estado del túnel, no es suficiente "conducirlas" en ninguna cavidad estrecha. Como han demostrado los cálculos de la computadora, el "catalizador" para la transición de las moléculas de agua al estado del túnel es las vibraciones de la estructura del cristal de berilo.

Otro hecho interesante es que el llamado "agua de berilo" no tiene un momento dipolar. Como es sabido, en condiciones normales, los átomos de hidrógeno en la molécula de agua están cargados positivamente y "miran" en una dirección, y el átomo de oxígeno, que se carga negativamente, en la otra. Sin embargo, en el mineral, la molécula de agua generalmente no tiene positivamente y negativamente cargado "polos".

Probablemente, escriban "Noticias", el descubrimiento de un nuevo estado de las moléculas de agua en berilo ayudará a entender sus propiedades termodinámicas bajo diversas condiciones geológicas, así como en medios cerrados (por ejemplo, en nanotubos de carbono).

Los investigadores de Oak Ridge y el Laboratorio Rutherford Appleton tienen ninguna duda de que su descubrimiento supondría un gran debate en los círculos biológicos, geológicos, físicos y matemáticos: Ahora será importante para explicar el mecanismo de un nuevo fenómeno y entender cómo se va a trabajar en todos los ámbitos científicos.

El estudio se publica en la revista Physical Review Letters.

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