Kiderült miért fagy meg a víz és alkot üveget a szilícium-dioxid

Mindenki tudja, hogy a víz nulla Celsius fokon fagy meg és az élet a Földön gyökeresen másképp nézne ki, ha nem ez lenne a helyzet. Azonban a víz rokona, a szilícium-dioxid, lehűtésekor mutatott tulajdonságai már hosszú ideje foglalkoztatják a tudósokat.

A vízzel ellentétben a szilícium-dioxid nem fagy meg olyan könnyen. Amikor a vegyületet lehűtik az atomjai nem képesek egy rendezett kristályszerkezetet felvenni, hanem ahogy a hőmérséklet csökken a folyékony állapot képes fennmaradni még az anyag fagyáspontja alatt is. Ezt a folyamatot nevezik szuper-hűtésnek. Az idő előrehaladtával az atomok egyszerűen megragadnak azon a helyen ahol éppen vannak , megőrizve a folyadékok rendezetlenségét. A létrejövő fagyott állapot – mechanikailag szilárd, de mikroszkóp alatt folyadék szerűek – egy üveg.

A szilícium-dioxid üvegképzési preferenciájának hatalmas következményei vannak, mivel a Földünk egyik legelterjedtebb anyaga. Bizonyos szempontokból a szilícium-dioxid és a víz nagyon hasonlóak – mindkettő kevésbé sűrűvé válik egy bizonyos hőmérséklet alatt, de folyékonyabbak nyomás alatt. És hogyha sikerül megfagyasztani a szilícium-dioxidot akkor még a kristályszerkezeteik is hasonlóságot mutatnak.

Egy új tanulmányban a Tokyo Egyetem Ipartudományi Intézetének kutatócsapata kiderítette, hogy mi az oka annak, hogy a víz és a szilícium-dioxid különböző módon viselkednek amikor lehűlnek. A csapat szimulációja megmutatta, hogy folyékony formában az atomok helyi szimmetriájának hatása van a kristályosodásra. Az eredmények alapján a víz atomjai megfelelően rendeződnek el, amíg a szilícium-dioxidé nem.

A folyadékok lehűlése során a véletlenszerű elrendezésük egyre rendezettebbé válik, ahogy az atomjaik mintákba rendeződnek. Az egyes atomok nézőpontjából a szomszédaik koncentrikus héjakat kezdenek kialakítani. Mind a víznél mind pedig a szilícium-dioxidnál az első ilyen héj – az O vagy a Si atom körül – tetraéder alakú. A lényeges különbség a második héjban van, ami a víz esetében megfelelően irányban jön létre, amíg a szilícium-dioxid esetében látszólag véletlenszerűen.

“A víznél a helyben rendezett struktúra a jég előzménye; ami tetraéderes H2O kristályok formájában jelenik meg,” mondta Rui Shi, a tanulmány egyik társszerzője. “Az orientációs rendezés vagy forgatásos szimmetriatörés a folyadék állapotban megmagyarázza, hogy a víz miért fagy olyan könnyen. A szuper-hűtött szilícium-dioxidnál, azonban az orientációs rendezés hiánya megakadályozza a kristályosodást, amivel megkönnyíti az üveg létrejöttét. Más szóval a szilícium-dioxid folyékony struktúrájában nehezebb megtörni a forgatásos szimmetriát és kevesebb az orientációs rend.”

A kutatók a különbségeket a két anyag kötéseinek különbségeivel magyarázzák. A víz H2O molekulákból áll, melyek atomjait erős kovalens kötések és molekuláit gyengébb hidrogén kötések tartják össze. A víz stabil molekuláris struktúrája behatárolja a víz atomjainak szabadságát, ami nagy orientációs rendezettséghez vezet. A szilícium-dioxidnak viszont nincs molekuláris formája és az atomjai kevésbé irányított módon kapcsolódnak egymáshoz – ezzel alacsony orientációs rendezettséghez vezetve.

“Megmutattuk, hogy a makroszkopikus különbségek a víz és a szilícium-dioxid között a mikroszkopikus világ kötéseiből erednek,” mondta Hajime Tanaka, a tanulmány egyik szerzője. “A reményeink szerint ezt az elméletet más anyagokra is ki tudjuk majd terjeszteni, mint a folyékony szén és szilícium, amik szerkezetileg hasonlóak a vízhez és a szilícium-dioxidhoz. A végcélunk az, hogy létrehozzunk egy általános elméletet arról, hogy az üveg alkotók miben különböznek a kristályalkotóktól, ami egy olyan dolog, amit eddig nem tudtak megmagyarázni.”

Forrás: pnas.org

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..