Co sprawia, że woda jest wyjątkowa
Woda jest najpowszechniejszym, ale prawdopodobnie najmniej zrozumiałym surowcem na Ziemi. Wynika to z faktu, ż zachowuje się ona zupełnie inaczej niż inne ciecze. Naukowcy nadal nie do końca rozumieją, dlaczego tak się dzieje. „Obserwujemy dziesiątki anomalii”, wyjaśnia koordynator projektu SOFTWATER John Russo z Uniwersytetu Sapienza we Włoszech. „Na przykład lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym, dzięki czemu unosi się na jej powierzchni. To inaczej niż w przypadku większości innych cieczy”.
Poznawanie właściwości materiałowych wody
Znaczenie wody trudno przecenić. Jest niezbędna każdej formie życia i stanowi około połowy objętości każdej żywej komórki biologicznej. Jest także kluczowym elementem procesów produkcyjnych i ma zasadnicze znaczenie dla systemu klimatycznego naszej planety. Ustalenie, gdzie dokładnie zakodowane są właściwości materiałowe wody, może być zatem kluczem do rozwoju wiedzy w wielu różnych dziedzinach. Ambitny projekt SOFTWATER, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, miał na celu zastosowanie technik obliczeniowych do badania tajemnic dotyczących wody. Aby tego dokonać, opracowano modele obliczeniowe tetraedrycznych wiązań wodorowych wody. Modele te były stopniowo zmieniane, aż do momentu, w którym anomalne właściwości wody zniknęły. „Chcieliśmy w ten sposób dowiedzieć się, co decyduje o wyjątkowości wody i co musimy zmienić, aby woda zachowywała się bardziej jak inne ciecze”, mówi Russo. „Technika obliczeniowa pozwoliła nam odkryć zachowania, które w przeciwnym razie bardzo trudno jest uchwycić”.
Podejścia obliczeniowe w badaniu zachowań materiałów
Kluczowym sukcesem projektu było wykazanie przydatności podejść obliczeniowych do badania zachowania materiałów. Wielu naukowców uważa, że tajemnica wyjątkowości wody może skrywać się w jej głęboko schłodzonym stanie. Trudno jest go uzyskać w warunkach eksperymentalnych bez zmiany wody i tworzenia kryształów. „Naukowcy nazywają go czasem ziemią niczyją, ponieważ jest tak trudno dostępny”, dodaje Russo. „Nasze podejście obliczeniowe sprawiło, że jest on bardziej dostępny i łatwiejszy do badania”. Russo opracował także nowy pionierski sposób konceptualizacji wody, nazywając ją „w połowie pustą cieczą”. Dostrzegł, że woda ma mniejszą gęstość niż inne ciecze i pozostaje stabilna, gdy się ochładza. Z kolei inne ciecze stają się stopniowo coraz gęstsze w miarę spadku temperatury. „Woda pozostaje pusta do pewnego momentu”, zauważa badacz. „Po jego osiągnięciu staje się gęstsza, co powoduje efekt kaskadowy. Może to wyjaśniać także inne anomalne właściwości. Koncepcja cieczy w połowie pustej stanowi nowy sposób myślenia o wodzie”.
Dokładniejsze modele zjawisk klimatycznych
Russo wskazuje, że potencjalne zastosowania badania są niezwykle szerokie. Zrozumienie zachowania wody – i tego, dlaczego zachowuje się ona w taki, a nie inny sposób – może pomóc naukowcom na przykład w dokładniejszym modelowaniu zjawisk klimatycznych. Możliwość „dostrojenia” innych cząsteczek tak, aby zachowywały się bardziej jak cząsteczki wody, może przynieść także nowe zastosowania przemysłowe. W związku z tym Russo chciałby sprawdzić, czy jego podejście obliczeniowe w zakresie „dostrajania” cząsteczek można zastosować na większą skalę w przypadku zawiesin koloidalnych, w których nierozpuszczalne cząsteczki są zawieszone w innej substancji. „Podejście może być wykorzystywane w każdej dziedzinie, która ma coś wspólnego z wodą”, mówi uczony. „Analiza zachowań wody stanowi ogromne pole do badań”.
Słowa kluczowe
SOFTWATER, woda, lód, ciecze, obliczenia, klimat, wodór