نموذج يحل آخر أسرار الماء

سلوك الجزيئات الفردية وكذلك الماء السائل ككل يمكن التنبؤ به

يستند هذا التمثيل لجزيئات الماء بالفعل إلى MOdell الجديد © Omololu Akin-Ojo و David Barczak
قراءة بصوت عال

إنها ضرورية لكل أشكال الحياة على الأرض ، وهي لبنة أساسية في أجسامنا - ومع ذلك فهي لا تزال تحمل الكثير من الأسرار: الماء. الآن ، بمساعدة نموذج فيزيائي جديد ، اكتشف الباحثون طريقة للكشف عن الخصائص الخفية لجزيء H2O ، دون الحاجة إلى اختبارات معملية شاقة ، كما ورد في Science.

يبدو جزيء الماء بسيطًا للوهلة الأولى: انتهى H2O ، ذرتان الهيدروجين المرتبطان بذرة الأكسجين. لكن في حالته السائلة ، يكون الماء أكثر تعقيدًا. ويوضح كرزيستوف زاليوفيتش ، أستاذ الفيزياء بجامعة ديلاوير ورئيس الدراسة: "الماء كسائل ليس سهلاً على الإطلاق ، ويختلف في عدة خصائص عن سوائل أخرى". "على سبيل المثال ، في Dichtanomalie المعروفة ، حقيقة أن الماء يصل إلى أعلى كثافة في أربع درجات مئوية. ونتيجة لذلك ، يطفو الجليد على الماء ، بينما في المركبات الأخرى ، ستغرق الحالة الصلبة للمادة في السائل ".

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمياه تخزين كميات كبيرة من الحرارة قبل تسخينها وإطلاقها ببطء عند التبريد. كل هذه الخصائص الفريدة يمكن أن تعزى إلى التركيب الجزيئي للمياه ، وقبل كل شيء ، قدرتها على تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء المجاورة. تنشأ هذه الروابط الضعيفة لأن الأكسجين الموجود في الجزيء يسحب بسهولة إلكترونات ذرتين الهيدروجين باتجاه بعضهما البعض ، مما ينتج عنه شحنة موجبة بسيطة عند الطرف الهيدروجيني للجزيء ونهاية الأكسجين السلبية قليلاً.

لغز ربط الهيدروجين

"لفترة طويلة ، كان العلماء بالإجماع نسبيا أنه في الحالة السائلة ، يتفاعل كل جزيء من الماء مع حوالي أربعة جزيئات ماء أخرى بهذه الطريقة" ، كما يقول سزالفيتش. "لكن في عام 2004 ، نشر مقال في مجلة Science يفيد بأن هذا هو الحال فقط مع جزيئين آخرين. إذا كان هذا صحيحًا ، فستكون نظرية المياه بأكملها عتيقة. "ومع ذلك ، كان المنشور في ذلك الوقت يعتمد على ملاحظات تجريبية بحتة ، ولم يتحقق التحقق النظري بعد. وقال الباحث: "يمكن إزالة الشكوك حول بنية الماء السائل أخيرًا إذا ثبت أن هذا الهيكل مستمد مباشرة من القوانين الفيزيائية".

وهذا بالضبط ما فعله العلماء من حول زالوفيتش. لقد ابتكروا إطارًا نظريًا قائمًا على ظواهر ميكانيكية كميّة وقوانين فيزيائية سمحت بتصرف ذرات جزيئات الماء بذرة. كانت هناك حاجة إلى مجموعات كاملة من أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء لمحاكاة سلوك المياه من هذا النموذج. عرض

كشف السلوك على المستوى الذري والجزيئي المركب

"لقد أصبح هذا ممكنًا الآن فقط لأن أجهزة الكمبيوتر متعددة المعالجات السريعة تتيح حلولًا دقيقة للغاية للمعادلات الميكانيكية الكمومية للقوى العاملة" ، كما يقول سزاليكز. بمجرد معرفة هذه القوى والتفاعلات ، يمكن للمرء تحديد الحركات في مجموعة من جزيئات الماء وحساب جميع خصائص الماء ، وعلى الرغم من أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء ، فقد استغرق الأمر بضعة أشهر على الأقل قبل أن يحدث في النهاية حتى الآن كان:

أصبحت نتيجة الحسابات الآن نموذجًا جديدًا يمكن لأول مرة التنبؤ بدقة بكل من خصائص زوج من جزيئات الماء الفردية وكذلك خواص الماء السائل ككل. بمساعدة النموذج ، يمكن الآن تحسين العديد من التطبيقات في العلوم والصناعة أو تطويرها حديثًا. من دور الماء في العمليات البيولوجية مثل البروتين القابل للطي إلى تصور جيل جديد من محطات توليد الطاقة ، يعتقد الفيزيائيون أن مجموعة التطبيقات الممكنة كافية.

(جامعة ديلاوير ، 05.03.2007 - NPO)