Air, selalu penting, selalu kontroversial, selalu menarik, tetap mengejutkan. Untuk bahan yang ada di Bumi, tiga perempat planet kita ditutup, penyelidik masih boleh terkejut dengan beberapa sifatnya, menurut ahli kimia Arizona State University, C. Austen Angell.
Angell, seorang Profesor Bupati di Sekolah Sains Molekul ASU, telah membelanjakan sebahagian besar kerjaya beliau yang menjejaki beberapa ciri fizikal air yang lebih aneh. Dalam satu penyelidikan baru yang baru diterbitkan dalam Sains (9 Mac), Angell dan rakan-rakannya dari University of Amsterdam telah, untuk pertama kalinya, mengamati salah satu sifat yang lebih menarik yang diramalkan oleh teoretik air - yang, dengan penyejukan super yang mencukupi dan di bawah keadaan tertentu ia akan tiba-tiba berubah dari satu cecair ke yang lain. Cecair baru masih air tetapi sekarang ia mempunyai kepadatan yang lebih rendah dan dengan susunan molekul terikat hidrogen yang berlainan dengan ikatan yang lebih kuat yang menjadikannya cecair yang lebih likat.
"Ia tidak ada kaitan dengan 'poli-air,'" Angell menambah mengingatkan kegagalan saintifik beberapa dekad lalu. Fenomena baru adalah peralihan fasa cecair-cecair, dan sehingga kini ia hanya dilihat dalam simulasi komputer model air.
Masalah dengan memerhati fenomena ini secara langsung dalam air sebenar ialah, sejurus sebelum teori itu mengatakan, ia harus berlaku, air sebenar tiba-tiba menjadi kristal. Ini telah dipanggil "tirai penghabluran" dan ia memegang kemajuan dalam memahami fizik air dan air dalam biologi selama beberapa dekad.
"Domain di antara suhu penghabluran ini dan suhu yang lebih rendah di mana air berkaca (dibentuk oleh pemendapan molekul air dari wap) yang mengkristal semasa pemanasan telah dikenali sebagai tanah 'tiada manusia,'" kata Angell. "Kami mendapati cara untuk mengetepikan 'tirai penghabluran' cukup untuk melihat apa yang berlaku di belakang - atau lebih tepat, di bawah - itu," kata Angell.
Peralihan fasa air penting untuk difahami untuk pelbagai aplikasi. Contohnya, jalan raya konkrit dan jalan setapak yang konkrit pada musim sejuk adalah disebabkan peralihan fasa dari air ke ais di bawah konkrit. Peralihan fasa di antara negeri-negeri cecair, yang digambarkan dalam kerja semasa, mempunyai banyak persamaan dengan peralihan ke ais tetapi ia berlaku pada suhu yang lebih rendah, kira -90 C (-130 F), dan hanya di bawah keadaan super sejuk supaya ia kemungkinan besar akan kekal sebagai keingintahuan saintifik untuk masa depan yang boleh dijangka.
Angell menjelaskan bahawa beberapa tahun yang lalu dia dan rakan penyelidikan beliau, Zuofeng Zhao, sedang mengkaji tingkah laku terma jenis penyelesaian berair "ideal" yang telah mereka gunakan untuk meneroka lipatan dan lipatan protein globular. Mereka ingin melihat keupayaan penyelesaian ini untuk supercool dan kemudian vitrify. Mencari had ke dalam domain kaca, mereka menambah air tambahan untuk meningkatkan kebarangkalian penghabluran ais dan mendapati bahawa akhirnya haba berubah sebagai ais yang terhablur (meninggalkan larutan unfrozen yang sisa) seperti yang biasa dijumpai ketika menyejukkan penyelesaian salin, ia sebenarnya menyedihkan haba untuk membentuk fasa cecair baru.
Cecair baru itu lebih likat, mungkin juga berkaca-kaca. Selain itu, dengan membalikkan arah perubahan suhu, Angell dan Zhao mendapati bahawa mereka boleh mengubah fasa baru itu semula ke dalam penyelesaian asal sebelum sebarang ais akan mula menjadi kristal.
"Pemerhatian ini, yang diterbitkan di Angewandte Chemie, menimbulkan minat yang besar tetapi tidak ada maklumat struktur untuk menerangkan apa yang berlaku," kata Angell. Itu berubah apabila Angell melawat Universiti Amsterdam dua musim lalu, dan bertemu dengan Sander Woutersen, pakar dalam spektroskopi inframerah yang sangat berminat dalam aspek struktur fenomena tersebut.
Dalam kertas Sains, pasukan dengan Woutersen, pelajarnya, Michiel Hilbers dan rakannya komputasi Bernd Ensing, kini menunjukkan bahawa struktur yang terlibat dalam peralihan cecair-cecair mempunyai tanda tangan spektroskopi yang sama - dan pola ikatan hidrogen yang sama - seperti dilihat dalam dua bentuk ais yang jelas yang dihasilkan oleh proses alternatif yang berat (fasa pepejal amorf yang tinggi dan berkepadatan rendah).
"Peralihan cecair-cecair yang kami dapati kini dilihat sebagai 'analogan hidup' perubahan antara dua negeri air tulen yang telah dilaporkan pada tahun 1994, menggunakan tekanan tulen sebagai penggerak," jelas Angell.
Hasilnya nampaknya "memberikan keterangan langsung bagi kewujudan peralihan cecair-cecair di belakang 'tirai penghabluran' dalam air tulen," kata Woutersen, sambil menambahkan bahawa penemuan menawarkan penjelasan umum untuk anomali termodinamik air cair, dan pengesahan untuk "teori titik kritikal kedua" yang dikemukakan oleh kumpulan Gene Stanley untuk menerangkan anomali tersebut.
"Tingkah laku ini hampir unik di kalangan pelbagai cecair molekul yang diketahui," tambah Angell. "Hanya beberapa bahan lain
No comments:
Post a Comment