Suyun Garip Davranışlarını Açıklayan Yeni Çalışma

Yaşam için çok alışılmış ve çok gerekli olan su, bilim insanları için oldukça kafa karıştırıcı şekilde davranır. Örneğin, buz neden sudan daha az yoğundur ve diğer sıvıların donduğunda yaptıkları gibi batmak yerine yüzer?

Şimdi yeni bir çalışma tartışmalı bir teori için çok soğuk sıcaklıklarda, suyun biri diğerinden daha az yoğun ve daha yapılandırılmış iki farklı sıvı formda mevcut olabileceğine dair güçlü kanıtlar sunmaktadır.

Princeton Üniversitesi ve Roma Sapienza Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bir sıvı fazın diğerine dönüştüğü kritik noktayı keşfetmek için su moleküllerinin bilgisayar simülasyonlarını gerçekleştirdiler. Çalışma bu hafta Science dergisinde yayınlandı.

Princeton’un Araştırma Dekanı Pablo Debenedetti  “Kritik noktanın bulunması, özellikle düşük sıcaklıklarda suyu tuhaf hale getiren birçok şey için iyi ve basit bir açıklama bulmaya eşdeğerdir.”

Suyun tuhaflıkları arasında su soğudukça büzülmek yerine genişlemektedir, bu nedenle donmuş su sıvı sudan daha az yoğundur. Su ayrıca daha düşük sıcaklıklarda daha sıkılabilir veya sıkışabilir hale gelir. Ayrıca, dondoğunda moleküllerinin düzenleyebileceği en az 17 yol vardır.

Kritik bir nokta, maddenin iki fazının ayırt edilemez hale geldiği benzersiz bir sıcaklık ve basınç değeridir ve maddenin bir fazdan diğerine dönüşmesinden hemen önce ortaya çıkar.

Debenedetti, suyun tuhaflıkları kritik bir noktanın varlığıyla kolayca açıklanabilir. Kritik bir noktanın varlığı, maddenin özellikleri üzerinde kritik noktadan çok uzakta hissedilir. Kritik noktada, ısı kapasitesi gibi moleküllerin nasıl davrandığına dair sıkıştırılabilirlik ve diğer termodinamik ölçümler sınırsızdır.

İki farklı hesaplama yöntemi ve son derece gerçekçi iki bilgisayar modeli kullanan ekip, sıvı-sıvı kritik noktasını, deniz seviyesindeki atmosfer basıncının yaklaşık 2000 katında yaklaşık 190 ila 170 derece Kelvin (yaklaşık -117 derece ila -153 derece Fahrenheit) aralığında olarak tanımladı.

Kritik noktanın tespiti, suların olağandışı özellikleri için temeldeki fiziksel açıklamayı belirleme arayışında yer alan araştırmacılar için tatmin edici bir adımdır. Birkaç yıl önce, fizikçiler soğutma suyunu, yüksek irtifa bulutlarında meydana gelen “aşırı soğutulmuş” bir durum olan bir sıvı olarak muhafaza ederken, donma noktasının altındaki sıcaklıklara kadar suyun yüksek basınçlarda suyun iki benzersiz sıvı formunu açığa çıkaracaklarını teorize ettiler.

Teoriyi test etmek için araştırmacılar bilgisayar simülasyonlarına yöneldiler. Gerçek hayattaki su molekülleri ile yapılan deneyler, kısmen aşırı soğutulmuş suyun hızla buza donma eğilimi nedeniyle, kritik bir noktanın kesin kanıtını sağlamamıştır.

Roma Sapienza Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Francesco Sciortino, 1992 yılında doktora sonrası araştırmacı iken, bu tür ilk modelleme çalışmalarından birini gerçekleştirdi. Nature dergisinde yayınlanan bu çalışma, iki sıvı form arasında kritik bir noktanın varlığını öneren ilk çalışma oldu.

Yeni bulgu, aynı zamanda Bilim’deki yeni çalışmanın ortak yazarı olan Sciortino için son derece tatmin edicidir. Yeni çalışma bugünün çok daha hızlı ve daha güçlü araştırma bilgisayarlarını ve daha yeni ve daha doğru su modellerini kullandı. Günümüzün güçlü araştırma bilgisayarlarında bile, simülasyonlar yaklaşık 1,5 yıllık hesaplama süresi aldı.

Sciortino, “Kritik dalgalanmaların tam olarak olması gerektiği gibi davrandığını görmeye başladığımızda neşeyi hayal edebilirsiniz.” dedi. “Şimdi iyi uyuyabilirim çünkü 25 yıl sonra orijinal fikrim doğrulandı.”

Suyun iki sıvı biçimi söz konusu olduğunda, iki faz, donma altındaki sıcaklıklarda ve yeterince yüksek basınçlarda huzursuz dengede bulunur. Sıcaklık düştükçe, iki sıvı faz biri kazanana ve tüm sıvı düşük yoğunluklu hale gelene kadar mücadele ederler.

Doktora sonrası araştırmacı Gül Zerze tarafından Princeton’da ve Sciortino tarafından Roma’da yapılan simülasyonlarda, donma noktasının altındaki sıcaklığı aşırı soğutulmuş aralığa düşürdüğü için, suyun yoğunluğu tahmin edildiği gibi çılgınca dalgalandı.

Suyun tuhaf davranışlarının bir kısmının suyun hayat veren özelliklerinin arkasında olması muhtemel olduğunu söyledi Zerze. “Yaşam sıvısı sudur ancak suyun neden başka bir sıvı ile değiştirilemediğini hala tam olarak bilmiyoruz. Nedenin suyun anormal davranışı ile ilgili olduğunu düşünüyoruz. Diğer sıvılar bu davranışları göstermez, bu yüzden yaşamın sıvısı olarak suya bağlanmalıdır. ”

Suyun iki aşaması oluşur, çünkü su molekülünün şekli iki şekilde birlikte yoğunlaştırmaya yol açabilir. Düşük yoğunluklu sıvıda, dört molekül merkezi bir beşinci molekülün etrafında tetrahedron adı verilen geometrik bir şekilde kümelenir. Daha yüksek yoğunluklu sıvıda, altıncı bir molekül sıkışır ve bu da yerel yoğunluğu artırma etkisine sahiptir.

Ekip kritik noktayı iki farklı su modelinde tespit etti. Her model için, araştırmacılar su moleküllerini kritik noktayı aramak için iki farklı hesaplama yaklaşımına maruz bıraktılar. Her iki yaklaşım da kritik bir nokta bulmuştur.

Kaynak: https://www.bizsiziz.com/new-study-provides-evidence-for-decades-old-theory-to-explain-the-odd-behaviors-of-water/

Çeviri: Simge Kara

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Solve : *
16 + 7 =


This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Çok Okunan Yazılar