우리는 무엇을 할 수 없었습니까? 물에 대해 알고 있습니까? 젖어! 분명합니다. 비에서 나옵니다. 끓습니다. 그것은 눈을 만들고 얼음을 만듭니다! 우리 정부는 실제로 당신이 Water 를 공부하기 위해 납세자 돈을 쓰나요? ?”
이 발췌문은 내가 7 년 전에 세상을 떠난 사랑하는 늦은 어머니와의 마지막 대화 중 하나에서 나온 것입니다. 99 세의 나이에 여전히 놀랍도록 검소합니다. 그녀의 말은 세계 인구의 절반이 보유한 것처럼 보이는 견해를 반영합니다. 물은 지루합니다.
.그러나 전 세계의 나머지 절반은 의사 과학과 새 시대의 전문가에 의해 화를 낸다.
진실은 중간 어딘가에 있습니다. 그렇습니다. 물은 일반적입니다. 사실, 그것은 우주에서 세 번째로 가장 흔한 분자입니다. 그러나 어머니의 견해와는 달리, 그것은 또한 기만적으로 복잡합니다. 다음은 오늘날 열려있는 물과 관련된 몇 가지 과학적 문제입니다.
1. 얼마나 많은 종류의 얼음이 있습니까?
최근에는 17 개의 다른 결정질 형태의 고체 물이 있습니다. 그러나 단 하나의 형태 - IC I h - 실험실 밖에서 지구상에서 일반적으로 존재합니다. 얼음 I c 라는 두 번째 결정 형태 상부 대기에는 매우 적은 양으로 존재하며, 또 다른 15 가지 형태는 매우 높은 압력으로 만 발생합니다. (성간 공간에는 물이 많지만 일반적으로 먼지 곡물에 얼어 붙은 비정질, 비 결정자, 유리 얼음이 있습니다.)
현저한 다양한 결정질 얼음 형태는 이웃 물 분자들 사이에서 형성된 강한 수소 결합의 사면체 네트워크로부터 발생한다. 물의 응축 된상에서, 각 분자는 근거리 각도에서 4 개의 수소 결합을 형성함으로써 수소 결합 능력을 최적화한다. 얼음 I
결정질 얼음, 원소 탄소, 실리콘 및 인을 포함한 사면체 물질에 대한 압력의 적용은 저밀도 고체 형태를 아마도 포장 된 한계에 도달 할 때까지 순차적으로 높은 밀도의 다양한 구조로 붕괴 될 수있다. 이것은 우리가 지금까지 관찰 한 17 가지 형태의 결정질 얼음을 생성합니다. 발견 할 것이 더 있습니까?“/p>
2. 둘 가 있습니까? 액체 물의 종류?
수십 년 전, 일본 과학자들은 고압 하에서 두 단계의 비정질 얼음 사이에서 전환을 관찰했다고 주장했다. 우리는 비정질 얼음이 본질적으로 해당 액체의 얼어 붙은 스냅 샷이라고 생각하기 때문에,이 관찰은 두 가지 유형의 액체 물이 존재해야한다는 것을 암시했다 :정상, 저밀도 수와 고압 비유 얼음과 유사한 소형 고밀도 형태.
.후속 시뮬레이션은이 주장을 뒷받침했습니다. 그들은 온도가 얼어 붙은 물을 조사했지만“균질 한 핵 생성 온도”(액체 물이 존재할 수없는 온도) 이상을 조사했습니다. 이 소위 "깊은 과냉각"지역에서 과학자들은 두 액체 형태의 물 사이의 위상 전이에 대한 증거를 보았습니다.
그러나 다른 과학자들은 이러한 결과가 인공물이며 통계 역학의 원칙에 따라 그러한 전환이 발생하지 않을 것이라고 주장합니다. 평형에서 멀리 떨어진 곳에서 발생한다는 사실은 관찰하고 모델링하기가 어렵습니다. 사실, 평형에서 멀리 떨어진 행동은 요약 된 물질 이론의 현재 국경입니다.
3. 물은 어떻게 증발합니까?
액체 물의 증발 속도는 현대 기후 모델링의 주요 불확실성 중 하나입니다. 그것은 구름에서 물방울의 크기 분포를 결정하는데, 이는 구름이 빛을 반사, 흡수 및 산란하는 방법을 결정합니다.
.그러나 물 증발 방법에 대한 정확한 메커니즘은 완전히 이해되지 않습니다. 증발 속도는 전통적으로 분자 사이의 충돌 속도로 표현되며, 증발 계수라는 퍼지 인자가 곱하며, 이는 0과 1 사이에 다릅니다. 수십 년에 걸친이 계수의 실험적 결정은 3 배에 걸쳐 다양했습니다. 증발이 극도로 드문 사건이라는 사실에 의해 이론적 계산이 방해를 받았으며, 엄청나게 길고 큰 컴퓨터 시뮬레이션이 필요합니다.
버클리 캘리포니아 대학교 (University of California)의 동료 인 데이비드 챈들러 (David Chandler)는 물 증발 계수를 계산하기 위해 전환 경로 샘플링 (Transition Path Sampling)이라는 이러한 희귀 한 사건을 설명 할 수있는 이론을 사용했습니다. 그들은 근처의 가치에 도달했습니다. 이것은 정상적인 물과 무거운 물 모두에 대해 0.6의 값을 생성하는 최근 액체 마이크로 제트 실험에 상당히 잘 대응합니다.
그러나 주름이 몇 개 있습니다. 우선,보다 대기 적으로 관련된 조건에서 수행 된 실험이 훨씬 낮은 값을 산출하는 이유는 확실하지 않습니다. 또한, 전이 경로 샘플링 시뮬레이션은 증발이 액체의 표면을 따라 흐르는 변칙적으로 큰 모세관 파에 의존하여 증발 된 물 분자를 고정시키는 수소 결합을 긴장시키고 약화 시킨다는 것을 시사한다. 물에 염의 첨가는 표면 장력을 높이고 모세관 파 진폭을 억제하여 증발 속도를 줄여야합니다. 그러나 실험 연구는 소금이 추가 될 때 효과가 거의 없거나 전혀 없다는 것을 보여줍니다.
4. 액체 물의 표면은 산성이거나 기본적입니까?
나이아가라 폭포를 둘러싼 안개에 대한 놀라운 것이 있습니다. 개별 액 적은 마치 부정적인 충전 된 것처럼 움직입니다. 대부분의 폭포에서도 마찬가지입니다. 이것은 방울 표면에 음성 수산화물 (OH-) 이온의 축적에 대한 증거로 오랫동안 해석되어 왔으며, 이는 표면이 기본임을 의미합니다. 사실,이 생각은 콜로이드 과학자들의 공동체 내에서 교리가되었습니다.
액체 물 표면은 더 많은 수의 파손 된 수소 결합을 함유하며, 이는 벌크에서 발견되는 것보다 다소 다른 화학 환경을 생성합니다. 그러나 최근의 실험 및 계산은 수화 된 양성자 (H+)가 실제로 액체 수면을 지배하여 기본적이고 음으로 하전 된 표면이 아니라 산성 (7 미만) pH 및 양으로 하전 된 표면을 생성한다는 것을 시사합니다.
대기 에어로졸 - GAS 교환, 효소 촉매 및 막 횡단 양성자 수송과 같은 화학 및 생물학의 많은 중요한 과정은 수면에서 양성자 교환을 포함하며, 현재 알려지지 않은 수량의 pH에 의존합니다.
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5. Nanoconfined 물이 다릅니 까?
자이언트 바다에서 물이 항상 슬로스하는 것은 아닙니다. 자연과 인공 장치 모두에서 물은 종종 역 미셀, 탄소 나노 튜브, 양성자 교환 막 및 Xerogels (매우 다공성 유리 고체)와 같이 상상할 수없는 작은 공간에 국한됩니다.
.실험과 계산은 단단한 벽에 의해 수백 개의 분자의 크기와 비교할 수있는 공간의 작은 영역에 물이 제한된 물이 비편 재화 및 양자 일관성을 포함한 양자 기계적 효과를 나타 내기 시작한다는 것을 나타낸다. 이러한 특성은 벌크 물의 특성과 놀랍도록 다르며 생물학적 세포에서 지질 구조에 이르기까지 모든 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어보다 효율적인 탈분치 시스템을 설계하는 데 상당한 실질적인 의미가있을 수 있습니다.
그러나 현재 결과는 다소 모호하며,이 분야에서 더 많은 작업이 감금하에있는 물의 특성을 결정하기 위해 여전히 수행되어야합니다.
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Richard Saykally는 버클리 캘리포니아 대학교의 화학 교수입니다. 그는 30,000 번 이상 인용 된 400 개가 넘는 출판물을 출판했습니다.
