Hunter
Kettős szerkezet a víz rejtélyének kulcsa?
A természet számos megoldatlan rejtélyt tartogat, ezek közül az egyik legmeglepőbb a szinte mindenhol jelenlévő víz.
Már az a tény is különös, hogy a jégkocka lebeg a vízen, ami csak fokozódik, ha előveszünk egy hőmérőt és megmérjük a különböző rétegek hőmérsékletét. A felszín közelében 0 Celsius-fok körüli hőmérsékletet észlelünk, míg az alján 4 fok körülit. Ez azért van, mert a víz sűrűbb 4 fokon, mint bármely más hőmérsékleten, ami ugyancsak egyedivé teszi a vizet más folyadékokhoz képest.
A víz különös tulajdonságai ezzel azonban még koránt sem érnek véget és közülük nem egy létfontosságú az élet számára. Mivel a jég nem olyan sűrű, mint a víz, és mivel a víz nem olyan sűrű fagypont körül, mint valamivel magasabb hőmérsékleten, ezért felülről lefelé megy végbe a fagyása. Ennek köszönhető, hogy az élet még a jégkorszakokban is folytathatta fejlődését a tavak vagy az óceánok mélyén. A víz emellett rendkívüli hőelnyelési képességgel is rendelkezik, ami a klímaváltozások elsimításában játszott szerepet, meggátolva számos ökorendszer pusztulását.
Víz nélkül a földi élet gyakorlatilag elképzelhetetlen, ám rendkívüli szerepe ellenére sem létezett egyetlen elmélet sem, ami kielégítő magyarázatot adott volna ezekre a tulajdonságokra - egészen mostanáig. Ha hihetünk a Stanfordi Egyetemen dolgozó Anders Nilssonnak, valamint a Stockholmi Egyetemen tevékenykedő honfitársának, Lars Petterssonnak, akkor végre pontot tehetünk az anomáliák végére.
Elméletük, ami egyébként meglehetősen sok támadás céltáblája, egy több mint 100 éves teórián alapul, amit a röntgensugarak felfedezője, Wilhelm Röntgen vázolt fel. Röntgen azt állította, hogy a vízmolekulák nem csupán egyféleképpen állnak össze, ahogy az a mai tankönyvekben szerepel, hanem két alapjaiban különböző módon. A víz rejtélyeinek kulcsa a két hidrogén- és egy oxigénatomból felépülő molekulák egymás közötti kölcsönhatásaiban keresendő.
Az oxigénatomnak van egy enyhe negatív töltése, míg a hidrogénatomok egy kiegyenlítő pozitív töltése. Ennek köszönhetően a szomszédos molekulák hidrogén- és oxigénatomjai vonzzák egymást, hidrogénkötést hozva létre. A hidrogénkötések sokkal gyengébbek, mint a molekulákon belüli, az atomokat egymáshoz fűző kötések, ezért folyamatosan bomlanak fel és formálódnak újra, azonban akkor a legerősebbek, amikor a molekulák úgy rendeződnek, hogy minden hidrogénkötés egy molekuláris kötéssel sorakozik fel. Ilyenkor minden egyes H2O molekulát négy szomszéd fog körbe, egy háromoldalú piramis, vagyis egy tetraéder alakzatot véve fel; legalábbis a jégben így rendeződnek a molekulák.
A hagyományos nézet szerint a folyékony víznek is hasonló, bár kevésbé merev a szerkezete, amiben plusz molekulák zsúfolódnak a tetraéderes elrendezés nyitott réseibe. Ez megmagyarázza miért sűrűbb a folyékony víz a jégnél, és alátámasztani látszik azokat a kísérleteket, melyekben röntgensugárral, infravörös fénnyel és neutronokkal bombázták a vízmolekulákat. Bár egyes fizikusok szerint, ha a vizet szélsőséges körülményeknek tesszük ki, elkülönülhet két különböző szerkezet, a legtöbben azonban azt tartják, hogy normál körülmények között újra egyszeres szerkezetet vesznek fel.
10 évvel ezelőtt Pettersson és Nilsson egy véletlen felfedezése megkérdőjelezte a fentieket. Röntgensugár elnyelődési spektroszkópiát alkalmaztak a glicin aminosav vizsgálatához. A röntgensugár-elnyelődés csúcsai fényt deríthetnek a célanyag kémiai kötéseinek pontos természetére, ezáltal a szerkezetére is. A kutatóknak egy új, nagyteljesítményű röntgensugár-forrás állt a rendelkezésükre, amivel minden korábbinál pontosabb és érzékenyebb méréseket végezhettek. Hamar észrevették azonban, hogy a glicin közegéül szolgáló víz sokkal érdekesebb színképeket produkál, mint a vizsgálat tárgyát képező aminosav. "Amit láttunk szenzációs volt, így elhatároztuk, hogy a végére járunk" - mondta Nilsson.
Az érdeklődésüket konkrétan egy olyan csúcs megjelenése keltette fel az elnyelődési spektrumban, amit a folyékony víz hagyományos modellje nem indokolt. Egy 2004-es publikációjukban megállapították, hogy bármely adott pillanatban a víz hidrogénkötéseinek 85 százalékának meg kell gyengülnie, vagy fel kell bomlania, ami jóval magasabb arány, mint a hagyományos modell szerinti potom 10 százalék.
A víz két arca. Balra a rendezett tetraéderes szerkezet, jobbra a szabálytalan, sűrű struktúra
A felfedezés hatásai döbbenetesnek tűntek, gyakorlatilag a víz szerkezetének teljes átgondolását sugallták, ezért Nilsson és Pettersson egy másik röntgensugár kísérlethez fordult állításuk megerősítése érdekében. Első lépésként megnyerték maguknak a röntgensugár emissziós színképelemzés szakértőjét, a Tokiói Egyetemen dolgozó Shik Shint. A japán tudós által alkalmazott technika lényege, hogy minél rövidebb a röntgensugarak hullámhossza egy anyag emissziós spektrumában, annál lazábbnak kell lennie a hidrogénkötésének.
Úgy tűnik, a svédek beletrafáltak: a röntgensugarak által kibocsátott spektrumban két csúcs volt, ami két elkülönülő szerkezetre utalt. A hosszabb hullámhosszú röntgensugarak csúcsa a tetraéderesen rendeződött molekulákat jelzi, míg az alacsonyabb hullámhosszú csúcs a rendezetlen molekulák hányadát tükrözi, bizonygatták a kutatók. A lényeg, hogy az alacsonyabb hullámhosszú csúcs volt az intenzívebb a kettő közül, ami arra utalt, hogy a lazán kötődő molekulák gyakoribbak a mintában, megerősítve a csapat korábbi modelljét.
Ami azonban talán még ennél is fontosabb volt, megállapították, hogy a víz hevítésével az intenzívebb csúcs egy még rövidebb hullámhossz felé tolódik, míg a másik csúcs többé-kevésbé állandó marad. Ez arra utal, hogy az összevissza rendeződött molekulákat összetartó hidrogénkötések nagyobb valószínűséggel bomlanak fel melegítés hatására, mint a szabályosan rendeződött molekulák kötései, ami ugyancsak egybehangzik a svédek elméletével. Ezt követően újra elemezték a vízről alkotott hagyományos képet alátámasztó régebbi kísérleti adataikat, és most már ezek az eredmények is megegyeztek az új modellel.
A csapat azt is megvizsgálta, mekkorák a különböző szerkezetek a folyadékon belül, amihez a kaliforniai Stanford Szinkrotron Sugárlaboratórium nagy energiájú röntgensugarait vették igénybe. Ezekkel ezúttal azt mérték, hogyan szórja szét a víz a különböző szögekből beérkező sugarakat. Az eredmény szerint a víz tele van a tetraéderes szerkezetbe rendezett molekulák apró, 1-2 nanométer átmérőjű területeivel. Az eredményekhez hozzátették Uwe Bergmann a Stanford Egyetemen végzett méréseit, amiből kikövetkeztették, hogy a rendezett szerkezetek átlagosan nagyjából 50-100 molekulából állnak, melyeket gyengébb kötésű molekulák tömege vesz körül. Ezek a területek nem fixek, a vízmolekulák egyetlen nanoszekundum töredéke alatt váltogatják a két állapotot a hidrogénkötések felbomlásával és újjáalakulásával.
Nilsson és Pettersson a két szerkezettípus közötti váltakozó egyensúllyal magyarázatot ad arra, miért 4 Celsius-fokon a legsűrűbb a víz. A rendezetlen területeken a vízmolekulák sokkal jobban összezsúfolódnak, nagyobb sűrűséget érve el, mint a tetraéderes szerkezetekbe rendeződött molekulákat magukba foglaló területeken. A jég rendezett szerkezetéből kiindulva nulla fokon ezek a rendezetlen területek viszonylag ritkák lehetnek, azonban ahogy a víz melegszik, a hőenergia többlet hajlamos szétrázni a rendezettebb szerkezeteket, így a molekulák kevesebb időt töltenek a tetraéderes szerkezetben, míg a rendezetlen területeken többet, ezzel átlagosan sűrűbbé teszik a vizet. Ezt kiegyenlítendő a lazán kötődő molekulák a hőmérséklet emelkedésével egyre energikusabban kezdenek mozogni, fokozatosan távolodva egymástól. Amikor elegendő molekula válik laza kötésűvé - 4 Celsius-fokon -, ez a tágulási hatás dominánssá válik, és onnantól a hőmérséklet növekedésével a sűrűség csökkenni kezd.
Pettersson szerint elméletük ugyanilyen tiszta magyarázattal szolgál a vízzel kapcsolatos korábbi anomáliákra, amit más elméletekkel mindeddig nem sikerült elérniük. Ezzel Martin Chaplin, a londoni South Bank Egyetem kémikusa is egyetért. A hagyományos egy komponensű rendszeren alapuló magyarázatok igen nyakatekertekké válnak, mire alkalmazkodnak a víz hőmérséklet okozta változásaihoz. "A kettős szerkezet elméletet szilárdan alátámasztják a kísérletek, és sokkal könnyebben képes magyarázatot adni a víz anomáliáira, mint a hagyományos kép" - tette hozzá.
Nilsson és Pettersson 2004-es publikációját több mint 350 alkalommal idézték más kutatók, ennek ellenére igen nagy a kétkedők tábora. Az egyik kritika, ami Science-ben megjelent tanulmányt éri, hogy a csapat röntgensugarú spektroszkópiás eredményei legalább 50 kölcsönhatásban lévő vízmolekula szimulációján alapultak, ami rendkívül összetett modell ahhoz, hogy pontos eredményeket lehessen leszűrni belőle. "Sokkal pontosabb elméletre van szükség, ahhoz hogy ilyen drasztikus kijelentéseket tegyünk" - kardoskodik Richard Saykally, a Berkeley Egyetem tanára. Szerinte a hagyományos szerkezet hidrogénkötéseinek elrendezésének kisebb változtatásai is elegendők Nilsson és Pettersson röntgensugarú eredményeinek megmagyarázásához. A svéd csoport egyik tagja, Michael Odelius ki is lépett az együttműködésből, mivel nem értett egyet az emissziós adatok értelmezésével.
Az egyik részlet, amit a szkeptikusok igyekeznek meglovagolni a Science publikációban, hogy a lazábban kötődő molekulák gyűrűket és láncokat alkotnak - és valóban, Nilsson és kollégái egyre kevésbé határozottak a rendezetlen molekulák szerkezetét illetően. Eugene Stanley, a Boston Egyetem kutatója szerint azonban ez nem befolyásolja lényegesen az új modell létjogosultságát, az azonban kétségtelen, hogy Nilsson és Pettersson még ma is kemény ellenállásba ütközik, pedig a folyékony víz szerkezetének átfogó ismerete tekintélyes előrelépés lenne. Például érthetőbbé válna a gyógyszerek és proteinek kölcsönhatása a testben található vízmolekulákkal, így hatékonyabb gyógyszerekhez juthatnánk, vagy ha sikerülne megismernünk, hogyan viselkedik a víz a szűk pórusok körül, azzal fokozhatnánk a víz sótalanítására irányuló kísérletek hatékonyságát, amivel növelhetnénk a tiszta, iható vízhez való hozzáférést.
Már az a tény is különös, hogy a jégkocka lebeg a vízen, ami csak fokozódik, ha előveszünk egy hőmérőt és megmérjük a különböző rétegek hőmérsékletét. A felszín közelében 0 Celsius-fok körüli hőmérsékletet észlelünk, míg az alján 4 fok körülit. Ez azért van, mert a víz sűrűbb 4 fokon, mint bármely más hőmérsékleten, ami ugyancsak egyedivé teszi a vizet más folyadékokhoz képest.
A víz különös tulajdonságai ezzel azonban még koránt sem érnek véget és közülük nem egy létfontosságú az élet számára. Mivel a jég nem olyan sűrű, mint a víz, és mivel a víz nem olyan sűrű fagypont körül, mint valamivel magasabb hőmérsékleten, ezért felülről lefelé megy végbe a fagyása. Ennek köszönhető, hogy az élet még a jégkorszakokban is folytathatta fejlődését a tavak vagy az óceánok mélyén. A víz emellett rendkívüli hőelnyelési képességgel is rendelkezik, ami a klímaváltozások elsimításában játszott szerepet, meggátolva számos ökorendszer pusztulását. Víz nélkül a földi élet gyakorlatilag elképzelhetetlen, ám rendkívüli szerepe ellenére sem létezett egyetlen elmélet sem, ami kielégítő magyarázatot adott volna ezekre a tulajdonságokra - egészen mostanáig. Ha hihetünk a Stanfordi Egyetemen dolgozó Anders Nilssonnak, valamint a Stockholmi Egyetemen tevékenykedő honfitársának, Lars Petterssonnak, akkor végre pontot tehetünk az anomáliák végére.
Elméletük, ami egyébként meglehetősen sok támadás céltáblája, egy több mint 100 éves teórián alapul, amit a röntgensugarak felfedezője, Wilhelm Röntgen vázolt fel. Röntgen azt állította, hogy a vízmolekulák nem csupán egyféleképpen állnak össze, ahogy az a mai tankönyvekben szerepel, hanem két alapjaiban különböző módon. A víz rejtélyeinek kulcsa a két hidrogén- és egy oxigénatomból felépülő molekulák egymás közötti kölcsönhatásaiban keresendő.
Az oxigénatomnak van egy enyhe negatív töltése, míg a hidrogénatomok egy kiegyenlítő pozitív töltése. Ennek köszönhetően a szomszédos molekulák hidrogén- és oxigénatomjai vonzzák egymást, hidrogénkötést hozva létre. A hidrogénkötések sokkal gyengébbek, mint a molekulákon belüli, az atomokat egymáshoz fűző kötések, ezért folyamatosan bomlanak fel és formálódnak újra, azonban akkor a legerősebbek, amikor a molekulák úgy rendeződnek, hogy minden hidrogénkötés egy molekuláris kötéssel sorakozik fel. Ilyenkor minden egyes H2O molekulát négy szomszéd fog körbe, egy háromoldalú piramis, vagyis egy tetraéder alakzatot véve fel; legalábbis a jégben így rendeződnek a molekulák.
A hagyományos nézet szerint a folyékony víznek is hasonló, bár kevésbé merev a szerkezete, amiben plusz molekulák zsúfolódnak a tetraéderes elrendezés nyitott réseibe. Ez megmagyarázza miért sűrűbb a folyékony víz a jégnél, és alátámasztani látszik azokat a kísérleteket, melyekben röntgensugárral, infravörös fénnyel és neutronokkal bombázták a vízmolekulákat. Bár egyes fizikusok szerint, ha a vizet szélsőséges körülményeknek tesszük ki, elkülönülhet két különböző szerkezet, a legtöbben azonban azt tartják, hogy normál körülmények között újra egyszeres szerkezetet vesznek fel.
10 évvel ezelőtt Pettersson és Nilsson egy véletlen felfedezése megkérdőjelezte a fentieket. Röntgensugár elnyelődési spektroszkópiát alkalmaztak a glicin aminosav vizsgálatához. A röntgensugár-elnyelődés csúcsai fényt deríthetnek a célanyag kémiai kötéseinek pontos természetére, ezáltal a szerkezetére is. A kutatóknak egy új, nagyteljesítményű röntgensugár-forrás állt a rendelkezésükre, amivel minden korábbinál pontosabb és érzékenyebb méréseket végezhettek. Hamar észrevették azonban, hogy a glicin közegéül szolgáló víz sokkal érdekesebb színképeket produkál, mint a vizsgálat tárgyát képező aminosav. "Amit láttunk szenzációs volt, így elhatároztuk, hogy a végére járunk" - mondta Nilsson.
Az érdeklődésüket konkrétan egy olyan csúcs megjelenése keltette fel az elnyelődési spektrumban, amit a folyékony víz hagyományos modellje nem indokolt. Egy 2004-es publikációjukban megállapították, hogy bármely adott pillanatban a víz hidrogénkötéseinek 85 százalékának meg kell gyengülnie, vagy fel kell bomlania, ami jóval magasabb arány, mint a hagyományos modell szerinti potom 10 százalék.
A víz két arca. Balra a rendezett tetraéderes szerkezet, jobbra a szabálytalan, sűrű struktúra
A felfedezés hatásai döbbenetesnek tűntek, gyakorlatilag a víz szerkezetének teljes átgondolását sugallták, ezért Nilsson és Pettersson egy másik röntgensugár kísérlethez fordult állításuk megerősítése érdekében. Első lépésként megnyerték maguknak a röntgensugár emissziós színképelemzés szakértőjét, a Tokiói Egyetemen dolgozó Shik Shint. A japán tudós által alkalmazott technika lényege, hogy minél rövidebb a röntgensugarak hullámhossza egy anyag emissziós spektrumában, annál lazábbnak kell lennie a hidrogénkötésének.
Úgy tűnik, a svédek beletrafáltak: a röntgensugarak által kibocsátott spektrumban két csúcs volt, ami két elkülönülő szerkezetre utalt. A hosszabb hullámhosszú röntgensugarak csúcsa a tetraéderesen rendeződött molekulákat jelzi, míg az alacsonyabb hullámhosszú csúcs a rendezetlen molekulák hányadát tükrözi, bizonygatták a kutatók. A lényeg, hogy az alacsonyabb hullámhosszú csúcs volt az intenzívebb a kettő közül, ami arra utalt, hogy a lazán kötődő molekulák gyakoribbak a mintában, megerősítve a csapat korábbi modelljét.
Ami azonban talán még ennél is fontosabb volt, megállapították, hogy a víz hevítésével az intenzívebb csúcs egy még rövidebb hullámhossz felé tolódik, míg a másik csúcs többé-kevésbé állandó marad. Ez arra utal, hogy az összevissza rendeződött molekulákat összetartó hidrogénkötések nagyobb valószínűséggel bomlanak fel melegítés hatására, mint a szabályosan rendeződött molekulák kötései, ami ugyancsak egybehangzik a svédek elméletével. Ezt követően újra elemezték a vízről alkotott hagyományos képet alátámasztó régebbi kísérleti adataikat, és most már ezek az eredmények is megegyeztek az új modellel.
A csapat azt is megvizsgálta, mekkorák a különböző szerkezetek a folyadékon belül, amihez a kaliforniai Stanford Szinkrotron Sugárlaboratórium nagy energiájú röntgensugarait vették igénybe. Ezekkel ezúttal azt mérték, hogyan szórja szét a víz a különböző szögekből beérkező sugarakat. Az eredmény szerint a víz tele van a tetraéderes szerkezetbe rendezett molekulák apró, 1-2 nanométer átmérőjű területeivel. Az eredményekhez hozzátették Uwe Bergmann a Stanford Egyetemen végzett méréseit, amiből kikövetkeztették, hogy a rendezett szerkezetek átlagosan nagyjából 50-100 molekulából állnak, melyeket gyengébb kötésű molekulák tömege vesz körül. Ezek a területek nem fixek, a vízmolekulák egyetlen nanoszekundum töredéke alatt váltogatják a két állapotot a hidrogénkötések felbomlásával és újjáalakulásával.
Nilsson és Pettersson a két szerkezettípus közötti váltakozó egyensúllyal magyarázatot ad arra, miért 4 Celsius-fokon a legsűrűbb a víz. A rendezetlen területeken a vízmolekulák sokkal jobban összezsúfolódnak, nagyobb sűrűséget érve el, mint a tetraéderes szerkezetekbe rendeződött molekulákat magukba foglaló területeken. A jég rendezett szerkezetéből kiindulva nulla fokon ezek a rendezetlen területek viszonylag ritkák lehetnek, azonban ahogy a víz melegszik, a hőenergia többlet hajlamos szétrázni a rendezettebb szerkezeteket, így a molekulák kevesebb időt töltenek a tetraéderes szerkezetben, míg a rendezetlen területeken többet, ezzel átlagosan sűrűbbé teszik a vizet. Ezt kiegyenlítendő a lazán kötődő molekulák a hőmérséklet emelkedésével egyre energikusabban kezdenek mozogni, fokozatosan távolodva egymástól. Amikor elegendő molekula válik laza kötésűvé - 4 Celsius-fokon -, ez a tágulási hatás dominánssá válik, és onnantól a hőmérséklet növekedésével a sűrűség csökkenni kezd.
Pettersson szerint elméletük ugyanilyen tiszta magyarázattal szolgál a vízzel kapcsolatos korábbi anomáliákra, amit más elméletekkel mindeddig nem sikerült elérniük. Ezzel Martin Chaplin, a londoni South Bank Egyetem kémikusa is egyetért. A hagyományos egy komponensű rendszeren alapuló magyarázatok igen nyakatekertekké válnak, mire alkalmazkodnak a víz hőmérséklet okozta változásaihoz. "A kettős szerkezet elméletet szilárdan alátámasztják a kísérletek, és sokkal könnyebben képes magyarázatot adni a víz anomáliáira, mint a hagyományos kép" - tette hozzá.
Nilsson és Pettersson 2004-es publikációját több mint 350 alkalommal idézték más kutatók, ennek ellenére igen nagy a kétkedők tábora. Az egyik kritika, ami Science-ben megjelent tanulmányt éri, hogy a csapat röntgensugarú spektroszkópiás eredményei legalább 50 kölcsönhatásban lévő vízmolekula szimulációján alapultak, ami rendkívül összetett modell ahhoz, hogy pontos eredményeket lehessen leszűrni belőle. "Sokkal pontosabb elméletre van szükség, ahhoz hogy ilyen drasztikus kijelentéseket tegyünk" - kardoskodik Richard Saykally, a Berkeley Egyetem tanára. Szerinte a hagyományos szerkezet hidrogénkötéseinek elrendezésének kisebb változtatásai is elegendők Nilsson és Pettersson röntgensugarú eredményeinek megmagyarázásához. A svéd csoport egyik tagja, Michael Odelius ki is lépett az együttműködésből, mivel nem értett egyet az emissziós adatok értelmezésével.
Az egyik részlet, amit a szkeptikusok igyekeznek meglovagolni a Science publikációban, hogy a lazábban kötődő molekulák gyűrűket és láncokat alkotnak - és valóban, Nilsson és kollégái egyre kevésbé határozottak a rendezetlen molekulák szerkezetét illetően. Eugene Stanley, a Boston Egyetem kutatója szerint azonban ez nem befolyásolja lényegesen az új modell létjogosultságát, az azonban kétségtelen, hogy Nilsson és Pettersson még ma is kemény ellenállásba ütközik, pedig a folyékony víz szerkezetének átfogó ismerete tekintélyes előrelépés lenne. Például érthetőbbé válna a gyógyszerek és proteinek kölcsönhatása a testben található vízmolekulákkal, így hatékonyabb gyógyszerekhez juthatnánk, vagy ha sikerülne megismernünk, hogyan viselkedik a víz a szűk pórusok körül, azzal fokozhatnánk a víz sótalanítására irányuló kísérletek hatékonyságát, amivel növelhetnénk a tiszta, iható vízhez való hozzáférést.
Persze a "pár egyetem" is csak irónia volt, értem. 