Znajdź zawartość

Woda to niezwykły płyn. Niezbędny i najbardziej powszechny, a jednocześnie najmniej ją rozumiemy. Ma wiele niezwykłych właściwości, których wciąż nie potrafimy wyjaśnić. Na przykład większość płynów staje się coraz gęstszych w czasie schładzania. Tymczasem woda jest najgęstsza w temperaturze około 4 stopni Celsjusza. Ta jej właściwość powoduje, że lód unosi się na powierzchni, dzięki czemu może istnieć życie. Gdyby bowiem tonął, organizmy w oceanach nie przetrwałyby zimy. Woda ma też niezwykle duże napięcie powierzchniowe, dzięki czemu owady mogą po niej chodzi oraz olbrzymią zdolność przechowywania ciepła, co stabilizuje temperaturę oceanu. Teraz naukowcy ze SLAC National Accelerator Laboratory, Uniwersytet Stanforda i Uniwersytetu w Sztokholmie przeprowadzili pierwsze bezpośredni obserwacje, które pokazały, jak wzbudzone laserem atomy wodoru w molekułach wody ciągną i pchają sąsiednie molekuły wody. Badania, których wyniki opublikowano na łamach Nature, opisują zjawiska, które mogą leżeć u podstaw niezwykłych właściwości wody. Ich zbadania może pomóc nam w zrozumieniu, w jaki sposób woda pomaga białkom spełniać ich rolę w organizmach żywych. Jeden z członków zespołu badawczego, profesor Anders Nilsson z Uniwersytetu w Sztokholmie przypomina, że już od pewnego czasu przypuszczano, iż za wiele właściwości wody mogą odpowiadać te tzw. jądrowe efekty kwantowe. Nasz eksperyment to pierwsze obserwacje tych efektów. Pytanie brzmi, czy rzeczywiście są one zaginionym ogniwem teoretycznych modeli opisujących niezwykłe właściwości wody, mówi uczony. W każdej molekule wody znajdziemy jeden atom tlenu i dwa atomy wodoru. Istnieje też cała sieć wiązań wodorowych pomiędzy dodatnio naładowanymi atomami wodoru w jednej molekule i ujemnie naładowanymi atomami tlenu w sąsiednich molekułach. Ta siec utrzymuje całość razem. Dopiero jednak teraz udało się zaobserwować, jak molekuły wody – za pośrednictwem tej sieci – wchodzą w interakcje. To pierwsze badania, w których bezpośrednio wykazano, że reakcja sieci wiązań wodorowych na impuls energii w postaci światła lasera zależy od rozkładu atomów wodoru w przestrzeni, który jest z kolei determinowany zasadami mechaniki kwantowej. Od dawna uważano, że to właśnie ona nadaje niezwykłe właściwości wodzie i jej sieci wiązań wodorowych, stwierdza Kelly Gaffney ze SLAC. Obserwacje tego typu zjawisk są niezwykle trudne, gdyż ruchy wiązań atomowych są bardzo szybkie i odbywają się w bardzo małej skali. Amerykańsko-szwedzki zespół naukowy poradził sobie z tym problemem dzięki MeV-UED, superszybkiej „kamerze elektronowej“ ze SLAC, która wykrywa niewielki ruchy molekuł rozpraszając na nich strumień elektronów. Naukowcy najpierw wygenerowali strumienie wody o średnicy zaledwie 100 nanometrów. To około 1000-krotnie mniej niż średnica włosa. Następnie za pomocą podczerwonego lasera wprawili w drgania molekuły wody tworzące te strumienie. Wtedy do dzieła przystąpił MeV-UED, ostrzeliwując wodę krótkimi wysokoenergetycznymi impulsami elektronów. W ten sposób uzyskano obraz o wysokiej rozdzielczości, który wyglądał jak poklatkowy film, szczegółowo pokazujący, jak molekuły reagują na światło. Obraz skupiał się na grupach, na które składały się po trzy molekuły. Dzięki temu naukowcy mogli zaobserwować, jak najpierw atomy wodoru przyciągają do siebie atomy tlenu z sąsiednich molekuł, by za chwilę – dzięki energii uzyskanej z lasera – mocno je odepchnąć, zwiększając odległości pomiędzy molekułami. To naprawdę otwiera nowe możliwości w dziedzinie badań nad wodą. W końcu możemy zobaczyć poruszające się wiązania wodorowe. Chcielibyśmy teraz powiązać te ruchy z szerszym obrazem, który może rzucić światło na to, w jaki sposób woda przyczyniła się do powstania i przetrwania życia na ziemi. Możemy też dzięki temu udoskonalić metody pozyskiwania energii odnawialnej, stwierdził Xijie Wang ze SLAC. « powrót do artykułu

Inżynierowie z California Institute of Technology (Caltech) i Jet Propulsion Laboratory (JPL) stworzyli inspirowany kolczugami materiał, który pod wpływem przyłożonego napięcia zmienia się z miękkiego i giętkiego w sztywny. Materiał taki może przydać się do tworzenia egzoszkieletów czy rusztowań zmieniających swoją sztywność w miarę gojenia się ran. Być może posłuży też do budowy... mostów, które można będzie przywieźć na miejsce w rolce, rozwinąć i usztywnić. Chcieliśmy stworzyć materiał, który zmienia sztywność na żądanie, mówi profesor Chiara Daraio. Naszym celem było uzyskanie tkaniny, która z miękkiej w kontrolowany sposób staje się sztywna, dodaje. Takie materiały spotykaliśmy dotychczas w literaturze. Dość przypomnieć tutaj kolczugę z mithrilu, którą Frodo otrzymał od Bilba czy pelerynę Batmana z filmu Batman Begins. W życiu codziennym dość często spotykamy się z materiałami, których sztywność została zmieniona. Wystarczy przypomnieć sobie np. paczkę próżniowo zapakowanej kawy. Jest sztywna i twarda, jednak natychmiast po przebiciu opakowania całość staje się miękka. Takie struktury jak kawa czy piasek mają złożone kształty, nie są ze sobą połączone i mogą usztywniać się tylko pod wpływem kompresji. Z kolei kolczuga, złożona z połączonych metalowych pierścieni może stawać się sztywna zarówno gdy ją ściśniemy, jak i gdy ją rozciągniemy. I to właśnie ta jej właściwość zainspirowała naukowców. Przetestowaliśmy wiele różnych cząstek, by sprawdzić, które są zarówno elastycznej, jak i można nadać im sztywność. Okazało się, że te, które zyskują sztywność tylko podczas jednego z rodzajów przyłożonej siły (ściskania lub rozciągania) nie sprawują się najlepiej, mówi profesor Daraio. Uczeni sprawdzili więc całą gamę kształtów, od połączonych pierścieni, poprzez połączone sześciany po połączone ośmiościany foremne, które przypominają dwie piramidy złączone podstawami. W modelowaniu interakcji tego typu struktur brał udział profesor Jose E. Andrade, specjalista od modelowania zachowania materiałów ziarnistych. Materiały ziarniste to piękny przykład złożonego systemu, w którym proste interakcje na poziomie poszczególnych ziaren mogą przekładać się na złożone zmiany strukturalne całości, mówi Andrade. Naukowcy prowadzili symulacje komputerowe oraz wytwarzali za pomocą drukarek 3D obiecujące struktury i testowali je w laboratorium. Podczas testów materiały albo ściskano w komorach próżniowych albo zrzucano na nie ciężary. W jednym przypadku taka „kolczuga” utrzymała masę 50-krotnie większą od własnej masy. Testy wykazały, że strukturami o największych zmianach właściwości mechanicznych pomiędzy stanem elastycznym a sztywnym, były struktury o największej średniej liczbie punktów stycznych pomiędzy tworzącymi je elementami. Tego typu tkaniny mają największy potencjał. Mogą być lekkie, miękkie i wygodne w użyciu, a pod wpływem przyłożonej siły stają się sztywną strukturą, która może wspierać i chronić właściciela, wyjaśnia Yifan Wang, jeden z autorów badań. Jak już wspomnieliśmy, taki materiał może posłużyć również do budowy mostów. Jak więc spowodować, by coś, co zostało przywiezione w rolce utrzymało ludzi czy pojazdy? Profesor Daraio mówi, że przez taki materiał można np. przeciągnąć liny, za pomocą których materiał zostanie ściśnięty i usztywniony. Te liny będą działały tak, jak troczki, za pomocą których ściągamy np. kaptur, wyjaśnia. « powrót do artykułu

W Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) udało się dokonać pierwszych pomiarów długości wiązania atomowego einsteinu. To jedna z podstawowych cech interakcji pierwiastka z innymi atomami i molekułami. Mimo, że einstein został odkryty przed 70 laty, to wciąż niewiele o nim wiadomo. Pierwiastek jest bowiem bardzo trudny do uzyskania i wysoce radioaktywny. Einstein został odkryty w 1952 roku przez Alberta Ghiorso w pozostałościach po wybuchu bomby termojądrowej. W czasie eksplozji jądro 238U wychwytuje 15 neutronów i powstaje 253U, który po emisji 7 elektronów zmienia się w 253Es. Zespół naukowy pracujący pod kierunkiem profesor Rebeki Abergel z LBNL i Stosha Kozimora z Los Alamos National Laboratory, miał do dyspozycji mniej niż 250 nanogramów pierwiastka. Niezbyt wiele wiadomo o einsteinie. To spore osiągnięcie, że udąło się nam przeprowadzić badania z zakresu chemii nieorganicznej. To ważne, gdyż teraz lepiej rozumiemy zachowanie tego pierwiastka, co pozwoli nam wykorzystać tę wiedzę do opracowania nowych materiałów i nowych technologii. Niekoniecznie zresztą z udziałem einsteinu, ale również z użyciem innych aktynowców. Lepiej poznamy też tablicę okresową pierwiastków, mówi Abergel. Badania prowadzono w nowoczesnych jednostkach naukowych: Molecular Foundry w Berkeley Lab i Stanford Synchrotron Radiation Lightsource w SLAC National Accelerator Laboratory. Wykorzystano przy tym spektroskopię luminescencyjną i absorpcję rentgenowską. Jednak zanim przeprowadzono badania trzeba było pozyskać sam einstein. To nie było łatwe. Pierwiastek został wytworzony w High Flux Isotope Reactor w Oak Ridge National Laboratory. To jedno z niewielu miejsc na świecie, gdzie można produkować einstein. Wytwarza się go bombardując kiur neutronami. Wywołuje to cały łańcuch reakcji chemicznych. I tutaj pojawił się pierwszy problem. Próbka była mocno zanieczyszona kalifornium. Uzyskanie odpowiedniej ilości czystego einsteinu jest bowiem niezwykle trudne. Zespół naukowy musiał więc zrezygnować z pierwotnego planu wykorzystania krystalografii rentgenowskiej, czyli techniki uznawanej za złoty standard przy badaniu struktury wysoce radioaktywnych próbek. Technika to wymaga bowiem otrzymania czystej metalicznej próbki. Konieczne stało się więc opracowanie nowej techniki badawczej, pozwalającej na określenie struktury einsteinu w zanieczyszczonej próbce. Z pomocą przyszli naukowcy z Los Alamos, który opracowali odpowiedni instrument utrzymujący próbkę. Później trzeba było poradzić sobie z rozpadem einsteinu. Uczeni wykorzystywali 254, jeden z bardziej stabilnych izotopów, o czasie półrozpadu wynoszącym 276 dni. Zdążyli wykonać tylko część zaplanowanych eksperymentów, gdy doszło do wybuchu pandemii i laboratorium zostało zamknięte. Gdy naukowcy mogli do niego wrócić, większość pierwiastka zdążyła już ulec rozpadowi. Mimo to udało się zmierzyć długość wiązań atomowych oraz określić pewne właściwości einsteinu, które okazały się odmienne od reszty aktynowców. Określenie długości wiązań może nie brzmi zbyt interesująco, ale to pierwsza rzecz, którą chcą wiedzieć naukowcy, badający jak metale łączą się z innymi molekułami. Jaki rodzaj interakcji chemicznych się pojawia, gdy badany atom wiąże się z innymi, mówi Abergel. Gdy już wiemy, jak będą układały się atomy w molekule zawierającej einstein, możemy poszukiwać interesujących nas właściwości chemicznych takich molekuł. Pozwala to też określać trendy w tablicy okresowej pierwiastków. Mając do dyspozycji takie dane lepiej rozumiemy jak zachowują się wszystkie aktynowce. A mamy wśród nich pierwiastki i ich izotopy, które są przydatne w medycynie jądrowej czy w produkcji energii, wyjaśnia profesor Abergel. Odkrycie pozwoli też zrozumieć to, co znajduje się poza obecną tablicą okresową i może ułatwić odkrycie nowych pierwiastków. Teraz naprawdę lepiej zaczynamy rozumieć, co dzieje się w miarę zbliżania się do końca tablicy okresowej. Możemy też zaplanować eksperymenty z użyciem einsteinu, które pozwolą nam na odkrycie kolejnych pierwiastków. Na przykład pierwiastki, które poznaliśmy w ciągu ostatnich 10 lat, jak np. tenes, były odkrywane dzięki użyciu berkelu. Jeśli będziemy w stanie uzyskać wystarczająco dużo czystego einsteinu, możemy wykorzystać ten pierwiastek jako cel w eksperymentach, w czasie których wytwarza się nowe pierwiastki. W ten sposób zbliżmy się do – teoretycznie wyliczonej – wyspy stabilności. Ta poszukiwana wyspa stabilności to teoretycznie wyliczony obszar tablicy okresowej, gdzie superciężkie pierwiastki mogą istnieć przez minuty, a może nawet dni, w przeciwieństwie do obecnie znanych superciężkich pierwiastków istniejących, których czas półrozpadu liczony jest w mikrosekundach. « powrót do artykułu