„Woda kwantowa” odkryta w nanorurkach węglowych

Wielu astrobiologów uważa, że ​​woda jest kluczowym składnikiem życia. I to nie tylko dlatego, że życie na Ziemi nie może się bez niego obejść.

Woda ma dziwny zestaw właściwości, których inne chemikalia po prostu nie mają. Jednym ze znanych przykładów jest to, że woda rozszerza się, gdy zamarza, dzięki czemu lód unosi się, a nie tonie. To ważne, ponieważ gdyby tak się nie stało, jeziora i oceany zamarzałyby od dna w górę, co utrudniałoby przetrwanie i ewolucję złożonego życia.

Te i inne właściwości są wynikiem zdolności cząsteczek wody do tworzenia ze sobą wiązań wodorowych, co nadaje tym cząsteczkom bardzo szczególne właściwości.

Dzisiaj George Reiter z Uniwersytetu w Houston i kilku kumpli przedstawili dowody na to, że woda jest dziwniejsza, niż ktokolwiek przypuszczał. W rzeczywistości posuwają się nawet do stwierdzenia, że ​​gdy ogranicza się do skali nanometrycznej, tworzy zupełnie nowy rodzaj wody kwantowej.

Tłem tego jest to, że elektrony w cząsteczkach donorowych i akceptorowych w wiązaniach wodorowych są nie do odróżnienia, co oznacza, że ​​mogą przemieszczać się od jednej cząsteczki do drugiej. Kiedy cząsteczki są w jakiś sposób ograniczone, mogą rozprzestrzenić się na pewną odległość, na przykład w ciele stałym.

Ale cząsteczki wody można ograniczyć również na inne sposoby. A kiedy tak się dzieje, elektroniczna struktura ciekłej wody staje się połączoną siecią.

Rodzi to ważne pytanie: czym różni się zachowanie molekuł w tej sieci elektronowej od zachowania molekuł w wodzie, wchodzących w interakcje w zwykły sposób?

Reiter i wsp. twierdzą, że zmierzyli właściwości ograniczonej przestrzeni wewnątrz nanorurek węglowych w temperaturze pokojowej i znaleźli kilka ważnych różnic. Zrobili to, wypełniając nanorurki wodą i bombardując je intensywną wiązką neutronów w Rutherford Appleton Lab w Wielkiej Brytanii. Sposób, w jaki rozpraszają się neutrony, ujawnia pęd protonów wewnątrz nanorurek.

Okazuje się, że protony w tej zamkniętej w nano wodzie wodzie w temperaturze pokojowej zachowują się zupełnie inaczej niż protony w wodzie w masie. Wiadomo, że protony są wrażliwe na otaczające je pola elektroniczne. Więc kiedy te pola formują się w niezwykłe sieci elektroniczne, nie jest niespodzianką, że protony zachowują się inaczej.

Odchylenia rozkładu pędu protonów od rozkładu pędu w wodzie są tak duże, że uważamy, że nano-zamkniętą wodę można właściwie opisać jako będącą jakościowo innym kwantowym stanem podstawowym niż woda w masie.

Sugerują nawet, że może istnieć pewien rodzaj spójności kwantowej, która rozprzestrzenia się w sieci elektronicznej. Jeśli tak jest, powinno być możliwe zmierzenie, jak to się dekoheruje w przyszłych eksperymentach.

To wielka sprawa. Reiter i wsp. wybrali nanorurki węglowe, ponieważ są one odpowiednikiem warunków, w jakich woda przepływa przez żywe układy, na przykład przez kanały jonowe w błonach komórkowych. Biolodzy od dawna wiedzą, że przepływ przez te kanały jest o rzędy wielkości większy niż przewiduje to konwencjonalna dynamika płynów. Być może powodem tego jest ten nowy stan wody kwantowej.

Reiter i wsp. twierdzą również, że ta woda kwantowa może istnieć tylko wtedy, gdy jest otoczona neutralnymi cząsteczkami, takimi jak węgiel w nanorurkach, a nie w obecności wielu powszechnie badanych materiałów, takich jak membrany do wymiany protonów, takie jak Nafion. Składa się on z cząsteczek, które przewodzą protony w zupełnie inny sposób, co zapobiega tworzeniu się wody kwantowej.

Konsekwencją jest oczywiście to, że membrany wymiany protonów stosowane we wszystkim, od produkcji chemicznej po ogniwa paliwowe, można radykalnie ulepszyć, stosując neutralny materiał węglowy.

W rzeczywistości zjawisko to może być kluczowym czynnikiem w samym mechanizmie życia. Ekscytujące rzeczy!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1101.4994 : Dowód nowego stanu kwantowego wody zamkniętej w nanocząsteczkach

ukryć