A víz nem tárol információt. Ennek ellenére a vízmolekulák olyan rendezettségi mintázatokat hoznak létre, amelyek befolyásolják az akkumulátorokat és az elektrokémiát. A víz első ránézésre tiszta káosznak tűnik. A molekulák folyamatosan ütköznek, rövid időre kötéseket alakítanak ki, majd azonnal újra szétválnak. Minden állandó mozgásban van. Hosszú ideig ezért az a nézet uralkodott, hogy a folyadékokban főként rendezetlenség uralkodik. Úgy tűnik azonban, hogy ez nem ennyire egyszerű.
A Bécsi Műszaki Egyetem kutatói most kimutatták, hogy a víz mégis létrehoz rövid távú rendezettségi mintázatokat – igaz, ezek csupán a másodperc töredékéig léteznek. Ez elsőre alapkutatásnak hangzik, amelynek nincs nagy gyakorlati jelentősége. Valójában azonban pontosan az ilyen hatások fontos szerepet játszanak számos műszaki területen. Például akkumulátorokban, üzemanyagcellákban, katalizátorokban vagy biológiai membránokban. Mert mindenhol ott töltött részecskék mozognak vízben, és kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel. A tanulmány egyúttal régi mítoszokat is eloszlat. Az úgynevezett „vízemlékezet” vagy akár a homeopátia tudományos alapja kifejezetten nem igazolódik. Ehelyett azt mutatja meg, mennyire összetett a vízmolekulák és a töltött részecskék kölcsönhatása.
A víz nem információtároló
A „vízemlékezet” gondolata évtizedek óta tartja magát. Ez azt állítja, hogy a víz tartósan képes információt megőrizni akkor is, ha egy anyag gyakorlatilag már nincs jelen. Tudományosan ez nem bizonyítható. Az új tanulmány valami egészen mást mutat: a víz ugyan létrehozhat átmenetileg előnyben részesített struktúrákat, ezek azonban csak statisztikusan alakulnak ki (a rendezett vízmintázatok nem stabil, tartós struktúrák, hanem csak valószínűségi átlagként jelennek meg), és azonnal szét is esnek. Markus Valtiner, a Bécsi Műszaki Egyetem Alkalmazott Fizikai Intézetének munkatársa így fogalmaz: „Ez a rendezettség statisztikai természetű.” A vízmolekulák folyamatosan mozognak. Rezgő, forgó mozgást végeznek, és állandóan cserélik a szomszédaikat. Semmi sem marad stabil. Mégis átlagosan bizonyos mintázatok alakulnak ki. Ezt úgy lehet elképzelni, mint egy táncot. A táncosok folyamatosan helyet cserélnek, mégis hosszabb távon felismerhetők bizonyos mozgásminták.
Miért rendezik az ionok a vizet
Különösen érdekes a helyzet a töltött részecskéknél, azaz az ionoknál. Ezek a vízben soha nem léteznek önmagukban. Vonzák a vízmolekulákat, és befolyásolják azok elrendeződését.
Itt jelentős különbségek vannak:
A kis ionok, mint a lítium, erősen rendezik a vízmolekulákat.
A nagy ionok, mint a cézium, sokkal gyengébben befolyásolják a vizet.
Ez a rendezettség hatással van az ionok felületeken mutatott viselkedésére.
Ez az elektrokémia szempontjából kulcsfontosságú. Ott ugyanis folyamatosan azt kell megérteni, hogyan tapadnak a részecskék az elektródákhoz, vagy hogyan válnak le róluk. Markus Valtiner így írja le a problémát: „Az ellentétes elektromos töltések vonzzák egymást, tehát a részecske a felület felé mozog. De a valóságban a helyzet ennél azért bonyolultabb.” Pontosan itt kapcsolódik be a kutatás.
A rendezettség energiába kerül
A tanulmány kimutatja: az erősen strukturáló ionok lokálisan nagyobb rendezettséget hoznak létre a vízben. Fizikai értelemben ez alacsonyabb entrópiát jelent. A fogalom bonyolultnak hangzik, de leegyszerűsítve egy rendszer lehetséges állapotainak számát írja le. Az alacsonyabb entrópia nagyobb rendezettséget jelent – és ez energetikailag kedvezőtlenebb.
Ebből egy meglepő hatás következik:
Az erősen rendezett vízhéjat létrehozó ionok nehezebben tapadnak felületekhez.
A gyengébben strukturált vízkörnyezetű ionok könnyebben eljutnak a felületekhez.
A puszta elektromos töltés tehát nem elég az viselkedés előrejelzéséhez.
Csúcstechnológiás módszerek mutatják meg a víz „táncát”
Ezeknek a rendkívül apró hatásoknak a kimutatásához a kutatócsoport több modern mérési és szimulációs módszert kombinált. Ide tartozott a nagy felbontású atomerő-mikroszkópia, spektroszkópiai mérések, valamint molekuladinamikai szimulációk. Utóbbiak számítógépen számolják ki, hogyan mozognak és hatnak egymásra az egyes molekulák. Csak ezek kombinációja tette láthatóvá, mi történik valójában az ionok körül. A kutatók így nemcsak az elektromos vonzást vizsgálhatták, hanem a vízmolekulák rövid életű rendezettségét, az entrópiát és a vízhéjon belüli kölcsönhatásokat is. A lényeg pontosan itt rejlik: eddig sok ilyen hatást külön-külön vizsgáltak. Az új modell ezeket először egyesíti egy teljes képpé. Ez elsőre nagyon elméletinek tűnik, valójában azonban segíthet az elektrokémiai folyamatok jobb megértésében – például akkumulátorokban, katalizátorokban vagy biológiai membránokban.
Miért érdekes ez az akkumulátorok szempontjából
A modern akkumulátoroknál különösen fontosak azok a folyamatok, amelyek mikroszkopikus határfelületeken zajlanak. Itt találkoznak az elektródák, a folyadékok és a töltött részecskék. Pont ebben a tartományban befolyásolják a víz rövid távú rendezettségi mintázatai erősebben, mint eddig feltételezték, hogy az ionok hogyan viselkednek.
Az új eredmények ezért segíthetnek abban, hogy:
• célzottabban fejlesszenek elektródákat,
• jobban előre lehessen jelezni az ionok mozgását,
• hatékonyabbá váljanak a töltési és kisütési folyamatok,
• vagy pontosabban érthető legyen a korrózió.
Ez nemcsak az akkumulátorokra vonatkozik. Biológiai rendszerekben is fontosak ezek a hatások. A sejtmembránok is töltött részecskékkel dolgoznak, amelyek vizes közegben mozognak. Az, hogy a víz hogyan befolyásolja ezeket a részecskéket, ezért az orvostudomány és a biotechnológia számára is érdekes lehet.
Forrás: Physikalisch hochkomplex: Der geheime Tanz der Wassermoleküle
