Løst gåder om tæthedsanomalien

Van der Waals styrker ligger bag den usædvanlige opførsel af vandet

Vandmolekyler danner brintbindinger mellem hinanden. © Qwerter / CC-by-sa 3.0
læst op

Forskere har løst puslespillet om massefylde af vandet: ikke kun brintbinding, men også Van der Waals kræfter er involveret i denne usædvanlige egenskab ved vandet. De kræfter, der også holder gekkoer på væggen, påvirker, hvor fleksibelt vandmolekylerne er forbundet med hinanden - og det giver vand ved fire grader en særlig høj densitet.

Vand er et temmelig usædvanligt stof. For i stedet for at få densitet som de fleste væsker ved frysning, har vandet sin tæthedskonfiguration på fire grader plus - så hvis det stadig er flydende. Denne sælanomali sikrer, at is flyder på vandet og sjældent fryser søer og damme om vinteren helt. Nedenfor forbliver en rest af tæt, flydende vand.

Men hvorfor opfører vand sig så usædvanligt? Det ville være indlysende at se efter årsagen til brintbindingerne. Disse bindinger dannes mellem de let negativt ladede oxygenatomer og vandatomerne i vandmolekylerne med en positiv delvis ladning. De er ansvarlige for at sikre, at vandet har et højt kogepunkt. Anomalien kan ikke forklares med disse bindinger alene.

Kunstige neurale netværk til repræsentation af vandatomer

Christoph Dellago fra universitetet i Wien har sammen med et forskerteam fra Ruhr University Bochum igen undersøgt tæthedsanomalien og fundet nye fund. For at gøre det undersøgte forskerne egenskaberne ved vand ved hjælp af en computersimulering, der gav dem præcis indsigt i bevægelsen af ​​hvert molekyle.

Til deres metode brugte forskerne et princip fra hjerneforskning: Kunstige neurale netværk, der repræsenterer atomernes interaktion som en funktion. Disse netværk var i stand til at "træne" dem med de beregnede kvantemekaniske resultater, hvilket gav dem mulighed for at repræsentere interaktioner mellem vandmolekyler i præcise kvantemekaniske beregninger - 100.000 gange hurtigere end traditionelle metoder, sagde Dellago. udstilling

Van der Waals styrker er årsagen

Forskerne kom til en interessant konklusion: Van der Waals kræfter virker mellem vandmolekylerne, som er afgørende for geometrien og fleksibiliteten af ​​brintbindingerne. Ved en lav temperatur er hydrogenbindingsbinding den stærkeste, og molekylerne er stærkere bundet sammen af ​​van der Waals-interaktioner.

Vandis flyder på vandoverfladen, her svømmer havis på det arktiske hav. Patrick Kelley / USGS, CC-by-sa 2.0

Dette gør vandet på omkring fire grader til det tætteste. Hvis temperaturen falder under fire grader, fungerer Van Waals-kræfterne ikke længere, og molekylerne afviger lidt. Fryst vand er derfor mindre tæt på trods af dets krystalstruktur. "Begge kan forklares med fleksibiliteten i brintbindingerne, " siger forskerne. "Og det er igen resultatet af en delikat balance mellem svage Van der Waals-kræfter."

Densitetsanomalien er således resultatet af en subtil interaktion mellem forskellige bindingsstyrker. Disse svage interaktioner, der gør det muligt for gekkoer at klæbe til glatte overflader, for eksempel, påvirker brintbroenettet og er ansvarlige for densitetsforskellen mellem is og flydende vand, Denne forskel i densitet får på sin side til at flyde is på overfladen af ​​vandet, ”forklarer Dellago. (Proceeding of the National Academy of Sciences (PNAS), 2016; doi: 10.1073 / pnas.1602375113)

(Forløb af National Academy of Sciences (PNAS), 06.07.2016 - TKR)