Uteslutningszon (fysik)

Uteslutningszonen är ett stort skikt (typiskt i storleksordningen några mikron till en millimeter ) som observeras i rent flytande vatten , från vilket partiklar av andra material i suspension stöts bort. Det observeras bredvid ytan av fasta material, t.ex. väggarna på behållaren i vilken det flytande vattnet hålls, eller fasta prover nedsänkta i den, och även vid vatten/luft-gränsytan. Flera oberoende forskargrupper har rapporterat observationer av uteslutningszonen intill hydrofila ytor . Vissa forskargrupper har rapporterat observation av uteslutningszonen intill metallytor. Uteslutningszonen har observerats med hjälp av olika tekniker, t.ex. dubbelbrytning , neutronradiografi , kärnmagnetisk resonans och andra, och den har potentiellt stor betydelse inom biologi och i tekniska tillämpningar som filtrering och mikrofluidik .

Historisk bakgrund

De första observationerna av ett annorlunda beteende hos vattenmolekyler, nära väggarna i dess behållare, går tillbaka till slutet av 1960-talet och början av 1970-talet, när Drost-Hansen, efter att ha granskat många experimentella artiklar, kom till slutsatsen att gränssnittsvatten visar strukturella skillnader.

1986 observerade Deryagin och hans kollegor en uteslutningszon bredvid cellväggarna .

2006 rapporterade gruppen av Gerald Pollack sin observation av vad de kallade en uteslutningszon . De observerade att partiklarna av kolloidala och molekylära lösta ämnen suspenderade i vattenlösning är djupt och omfattande uteslutna från närheten av olika hydrofila ytor. Uteslutningszonen har observerats och karakteriserats av flera oberoende grupper sedan dessa tidiga observationer.

Teoretiska modeller

Sedan de tidiga observationerna har flera teoretiska modeller föreslagits för att förklara den experimentella observationen av uteslutningszonen.

Mekanisk modell: Förändring i geometrisk struktur

Vissa forskare föreslår att uteslutningszonen beror på en förändring i vattnets geometriska struktur, inducerad av ytan på det hydrofila (eller metalliska) fasta vattnets struktur. I denna modell har vattnet i uteslutningszonen en struktur av hexagonala ark, där väteatomerna är placerade mellan syreatomer . Dessutom binder väteatomer till syreatomerna som ligger i lagret ovanför och under, så att totalt varje väte bildar tre bindningar. Denna struktur kan betraktas som en mellanting mellan is och vatten. Den hexagonala arkhypotesen tar dock inte hänsyn till alla aspekter av uteslutningszonen, och den stöds inte av majoriteten av fysiker.

Kvantelektrodynamisk modell: kvantinneslutning

En annan utförd beräkning beskriver molekylerna i uteslutningszonen med hjälp av kvantmekanik och kvantelektrodynamik . I denna modell är det flytande bulkvattnet i gasformigt tillstånd. Sedan, över en viss densitetströskel och under en specifik kritisk temperatur , går dessa molekyler till ett annat kvanttillstånd , med lägre energi . I detta koherenta tillstånd med lägre energi, pendlar molnet av elektroner mellan två kvanttillstånd: ett grundtillstånd och ett exciterat tillstånd där en elektron per molekyl är nästan fri (bindningsenergin är cirka 0,5 eV). I detta koherenta tillstånd kvantöverlagringen en komponent med koefficienten 0,9 för grundtillståndet och en komponent med 0,1 av det exciterade tillståndet. Elektronerna i detta kvanttillstånd pendlar mellan grundtillståndet och det exciterade tillståndet med en viss frekvens, och denna oscillation skapar ett elektromagnetiskt fält , som är begränsat inom den supermolekylära strukturen, så att ingen strålning observeras. Strukturens molekyler, tillsammans med det begränsade elektromagnetiska fältet, utgör i denna modell uteslutningszonen.