Znajdź zawartość

Po 266 latach udało się pokonać zjawisko Leidenfrosta, dzięki czemu naukowcy z City University of Hong Kong mogli pochwalić się stworzeniem efektywnego systemu chłodzenia cieczą, który sprawdza się w temperaturach nawet powyżej 1000 stopni Celsjusza. System taki można będzie zastosować w silnikach lotniczych, rakietowych oraz poprawić dzięki niemu stabilność i bezpieczeństwo pracy reaktorów atomowych przyszłej generacji. Zjawisko Leidenfrosta od wieków fascynuje naukowców, a niedawno informowaliśmy o odkryciu jego nowej odmiany. Zjawisko to zostało odkryte w 1756 roku. Powoduje ono, że krople cieczy spadając na bardzo gorącą powierzchnię nie odparowują od razu, ale poruszają się, lewitując nad nimi. Ich odparowanie może potrwać dłuższa chwilę. Pomiędzy kroplą a powierzchnią tworzy się bowiem warstwa pary, która znacząco obniża transfer energii z powierzchni. Przez to chłodzenie cieczą bardzo gorących powierzchni jest nieefektywne. Przez ponad 200 lat nie potrafiono poradzić sobie z tym problemem. Naukowcy z Hongkongu stworzyli powierzchnię o zróżnicowanej teksturze, której główne elementy mają różne właściwości termiczne i geometryczne. Nowatorska struktura złożona jest z trzech zasadniczych elementów. Pierwszy z nich to wystające ponad powierzchnię miniaturowe filary służące do transferu energii. Drugi, to termiczna warstwa izolująca umieszczona pomiędzy filarami, której zadaniem jest zassanie i odparowanie cieczy. Zaś element trzeci, to znajdujące się pod warstwą izolującą mikrokanaliki w kształcie litery U, służące do odprowadzenia pary. Eksperymenty wykazały, że taka architektura zapobiega powstawaniu zjawiska Leidenfrosta nawet w temperaturach dochodzących do 1150 stopni Celsjusza i pozwala na efektywne kontrolowane chłodzenie cieczą w zakresie od 100 do ponad 1150 stopni. Nasze multidyscyplinarne badania to prawdziwy przełom w nauce i inżynierii. Połączyliśmy tutaj naukę o powierzchniach, hydro- i aerodynamice, chłodzeniu, nauki materiałowe, fizykę, wiedzę z dziedziny energii i inżynierii. Poszukiwanie nowych strategii w dziedzinie chłodzenia cieczami to ważny obszar badawczy inżynierii materiałowej od 1756 roku. Udało nam się pozbyć zjawiska Leidenfrosta. W ten sposób dokonaliśmy zmiany paradygmatów dotyczących możliwości chłodzenia cieczą w bardzo wysokich temperaturach. Dotychczas nikomu nie udało się tego osiągnąć, cieszy się profesor Wang Zunkai. Uczony wyjaśnia, że pojawianie się zjawiska Leidenfrota powoduje, że tam, gdzie mamy do czynienia z bardzo wysokimi temperaturami wykorzystujemy chłodzenie powietrzem, zamiast potencjalnie bardziej efektywnego chłodzenia cieczą. Ma to miejsce szczególnie w silnikach samolotowych, rakietowych i reaktorach jądrowych. Dodaje, że nowatorską strukturę można produkować w formie elastycznej okładziny do mocowania na elementach, które mają być chłodzone. To szczególnie ważne tam, gdzie bezpośrednie stworzenie takiej struktury na etapie produkcji urządzenia byłoby trudne. « powrót do artykułu

Zjawisko Leidenfrosta znane jest ludzkości od tysiącleci. W jego wyniku krople cieczy spadając na gorącą powierzchnię, nie odparowują od razu, ale poruszają się nad nią. Ich odparowanie może trwać dłuższy czas. Spowodowane jest to tym, że w kontakcie cieczy z gorącą powierzchnią pojawia się para, która tworzy poduszkę. Krople lewitują, a para izoluje ciecz od powierzchni. Naukowcy z Meksyku i Francji, pracujący pod kierunkiem  Felipe Pacheco-Vázqueza z Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, zaobserwowali właśnie nowy typ zjawiska Leidenfrosta i nazwali go potrójnym zjawiskiem Leidenfrosta. Zespół Pacheco-Vázqueza sprawdzał, co się stanie, gdy wiele kropli zostanie umieszczonych na gorącej, nieco wklęsłej, powierzchni. Krople w naturalny sposób przesuwały się ku najniższemu punktowi powierzchni w centrum. Gdy używano wody, jej krople po spotkaniu się w centrum niemal natychmiast się łączyły w jedną dużą kroplę. Jednak gdy użyto wody i etanolu okazało się, że krople różnych cieczy wielokrotnie odbijają się od siebie, zanim się połączą. Naukowcy wysunęli hipotezę, że zjawisko to zachodzi, gdyż pojawiają się trzy warstwy pary. Dwie pierwsze znajdują się pod każdą z kropli, a trzecia pojawia się pomiędzy nimi w momencie, gdy się stykają. Ta trzecia warstwa tworzy się z powodu różnicy temperatury wrzenia obu płynów. Różnica ta powoduje, że cieplejsza kropla – w tym wypadku woda – działa na etanol jak gorąca powierzchnia. Pomiędzy kroplami pojawia się więc warstwa pary, która uniemożliwia ich zlanie się i krople odbijają się od siebie. W końcu kropla szybciej odparowującego etanolu staje się tak mała, że nie jest w stanie wytworzyć tyle pary, by zapobiec połączeniu się kropli. Wówczas się zlewają. Badacze przetestowali swoją hipotezę używając 10 różnych rodzajów płynów. Okazało się, że mieli rację. Krople płynów o znacząco różnych temperaturach wrzenia odbijały się od siebie, podczas gdy płynów o podobnych temperaturach wrzenia do odbijania się nie dochodziło i krople szybko się łączyły. Zdaniem odkrywców potrójnego zjawiska Leidenfrosta, dokładne jego zbadanie będzie pomocne w mikrofluidyce, nauce zajmującej się płynami w małej skali, gdzie siły powierzchniowe odgrywają główną rolę. Pozwoli to np. zrozumieć, jak oddziałują ze sobą krople paliwa w przegrzanych silnikach. « powrót do artykułu

Powszechnie znany jest fakt, że ciecze bardziej lepkie – jak miód – płyną wolniej niż ciecze o niskiej lepkości, jak woda. Dobrze pokazuje to opisany przez nas jeden z najdłużej trwających eksperymentów w historii nauki. Jakie więc było zdziwienie naukowców, gdy okazało się, że wewnątrz specjalnie pokrytych rurek ciecze tysiąckrotnie bardziej lepkie przemieszczają się 10-krotnie szybciej niż ciecze mniej lepkie. Prędkość przemieszczania się cieczy przez różnego rodzaju tuby jest niezwykle ważna zarówno w rafineriach ropy naftowej jak i w ludzkim sercu. Jeśli chcemy zwiększyć przepływ płynu przez rurę o danym przekroju zwykle wystarczy zwiększyć ciśnienie. Oczywiście taka technika ma swoje ograniczenia. Ciśnienia nie można zwiększać bez końca, gdyż doprowadzi to do uszkodzenia rury. Szczególnie jest to ważne w cienkich wąskich rurkach, wykorzystywanych podczas produkcji leków czy innych złożonych związków chemicznych. Dlatego też od dawna naukowcy szukają sposobów na przyspieszenie przepływu płynów w takich systemach bez zwiększania ciśnienia. Z artykułu opublikowanego właśnie na łamach Science Advances dowiadujemy się, że pokrycie rurek środkiem hydrofobowym powoduje, że bardziej lepkie ciecze przemieszczają się szybciej niż mniej lepkie. Powierzchnia superhydrofobowa zawiera niewielkie guzki, pomiędzy którymi zostaje uwięzione powietrze. Znajdujące się tam krople płynu zachowują się jak na poduszce powietrznej, wyjaśnia profesor Robin Ras, który wraz ze swoim zespołem z Aalto University specjalizuje się w badaniach powierzchni hydrofobowych. Sama powierzchnia superhydrofobowa nie powoduje, że bardziej lepki płyn przemieszcza się szybciej od mniej lepkiego. Gdy na takiej powierzchni umieścimy kroplę wody i kroplę miodu, to woda spłynie szybciej. Okazało się jednak, że gdy krople są umieszczone w bardzo wąskiej tubie, dochodzi do dramatycznych zmian. Odkryliśmy, że gdy kropla zostaje umieszczona w superhydrofobowym wąskim naczyniu, wokół bardziej lepkich cieczy tworzy się większa poduszka powietrzna. I to ta większa otoczka z powietrza umożliwia bardziej lepkim płynom na szybsze przemieszczenia się od tych mniej lepkich. Szczegółowe badania pokazały, że krople gliceryny, która jest tysiąckrotnie bardziej lepka niż woda, przemieszczają się w takiej rurce 10-krotnie szybciej od wody. Naukowcy filmowali swoje krople, dzięki czemu mogli też analizować to, co dzieje się wewnątrz nich. Okazało się, że w lepkich cieczach płyn wewnątrz kropli niemal się nie poruszał, natomiast w cieczach o niskiej lepkości dochodziło do szybkiego mieszania się płynu. Fińscy naukowcy opracowali też model dynamiki płynów, który pozwala przewidzieć, jak dany płyn będzie przemieszczał się w rurkach pokrytych różnymi superhydrofobowymi materiałami. Dalsze prace nad tym zagadnieniem pomogą w zaprojektowaniu doskonalszych systemów mikroprzepływowych, stosowanych m.in. podczas produkcji leków. « powrót do artykułu

Przechłodzona woda to tak naprawdę dwie ciecze w jednej – wykazali naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Wykonali oni szczegółowe badania wody, która zachowuje stan ciekły znacznie poniżej temperatury zamarzania. Okazało się, że w wodzie takiej istnieją dwie różne struktury. Odkrycie pozwala wyjaśnić niektóre dziwne właściwości, jakie wykazuje woda w niezwykle niskich temperaturach, jakie panują w przestrzeni kosmicznej czy na krawędziach atmosfery. Dotychczas istniały różne teorie na ten temat, a naukowcy spierali się co do niezwykłych właściwości przechłodzonej wody. Teraz otrzymali pierwsze eksperymentalnie potwierdzone dane odnośnie jej struktury. Nie są to spory czysto akademickie, gdyż zrozumienie wody, która pokrywa 71% powierzchni Ziemi, jest kluczowe dla zrozumienia, w jaki sposób reguluje ono środowisko naturalne, nasze organizmy i jak wpływa na samo życie. Wykazaliśmy, że ciekła woda w ekstremalnie niskich temperaturach jest nie tylko dość stabilna, ale istnie też w dwóch stanach strukturalnych. Odkrycie to pozwala na rozstrzygnięcie sporu dotyczącego tego, czy mocno przechłodzona woda zawsze krystalizuje przed osiągnięciem stanu równowagi. Odpowiedź brzmi: nie, mówi Greg Kimmel z PNNL. Dotychczas naukowcy sprzeczali się np. o to, czy woda schłodzona do temperatury -83 stopni Celsjusza rzeczywiście może istnieć w stanie ciekłym i czy jej dziwne właściwości nie wynikają ze zmian zachodzących przed krzepnięciem. Woda, pomimo swojej prostej budowy, jest bardzo skomplikowaną cieczą. Na przykład bardzo trudno jest zamrozić wodę w temperaturze nieco poniżej temperatury topnienia. Woda opiera się zamarznięciu. Potrzebuje ośrodka, wokół którego zamarznie, jak np. fragment ciała stałego. Woda rozszerza się podczas zamarzania, co jest zadziwiającym zachowaniem w porównaniu z innymi cieczami. Jenak to dzięki temu na Ziemi może istnieć życie w znanej nam postaci. Gdyby woda kurczyła się zamarzając i opadała na dno lub gdyby para wodna w atmosferze nie zatrzymywała ciepła, powstanie takiego życia jak obecnie byłoby niemożliwe. Bruce Kay i Greg Kimmel z PNNL od 25 lat badają niezwykłe właściwości wody. Teraz, przy pomocy Loni Kringle i Wyatta Thornleya dokonali przełomowych badań, które lepiej pozwalają zrozumieć zachowanie molekuł wody. Wykazały one, że w mocno przechłodzonej wodzie dochodzi do kondensacji w gęstą podobną do płynu strukturę. Istnieje ona równocześnie z mniej gęstą strukturą, w której wiązania bardziej przypominają te spotykane w wodzie. Proporcja gęstej struktury gwałtownie obniża się wraz ze spadkiem temperatury z -28 do -83 stopni Celsjusza. Naukowcy wykorzystali spektroskopię w podczerwieni do obserwowania molekuł wody i wykonania obrazowania na różnych etapach badań. Kluczowy jest fakt, że wszystkie te zmiany strukturalne były odwracalne i powtarzalne, mówi Kringle. Badania pozwalają lepiej zrozumieć zjawisko krupy śnieżnej, która czasem opada na ziemię. Tworzy się ona gdy płatki śniegu stykają się w górnych partiach atmosfery z przechłodzoną wodą. Ciekła woda a górnych partiach atmosfery jest silnie przechłodzona. Gdy dochodzi do jej kontaktu z płatkiem śniegu, gwałtownie zamarza i w odpowiednich warunkach opada na ziemię. To jedyny raz, gdy większość ludzi ma do czynienia z przechłodzoną wodą, mówi Bruce Kay. Dzięki pracy amerykańskich uczonych można będzie lepiej zrozumieć, jak ciekła woda może istnieć na bardzo zimnych planetach. Pomoże też w badaniu warkoczy komet, w które w znacznej mierze składają się z przechłodzonej wody. Praca Kaya i Kimmela znajdzie też praktyczne zastosowanie. Pomaga ona bowiem lepiej zrozumieć np. zachowanie molekuł wody otaczających proteiny, co pomoże w pracach nad nowymi lekami. Woda otaczająca indywidualne proteiny nie ma zbyt dużo miejsca. Nasze badania mogą pomóc w zrozumieniu, jak woda zachowuje się w tak ciasnych środowiskach, mówi Kringle. Thornley dodaje zaś, że podczas przyszłych badań możemy wykorzystać opracowaną przez nas technikę do śledzenia zmian zachodzących podczas różnych reakcji chemicznych. Więcej o badaniach można przeczytać w artykule Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. « powrót do artykułu

Mrówki Solenopsis richteri posługują się piaskiem jak narzędziem, by pozyskać ciekły pokarm (roztwór cukru), nie tonąc w nim. Autorzy artykułu z pisma Functional Ecology podkreślają, że to pokazuje, że dostosowują strategię korzystania z narzędzi do ryzyka związanego z żerowaniem. S. richteri pochodzą z Ameryki Południowej. Po introdukcji do południowych USA są tu uznawane za gatunek inwazyjny. Gdy mrówkom zapewniono niewielkie pojemniczki z roztworem cukru, dzięki hydrofobowemu egzoszkieletowi były w stanie unosić się na powierzchni i żerować. Gdy jednak naukowcy zmniejszyli napięcie powierzchniowe, S. richteri zaczęły przenosić piasek, by spuścić ciecz z naczynia. Odkryliśmy, że mrówki budują strukturę z piasku, która skutecznie wyciąga ciecz z pojemnika, tak aby później można ją było zebrać - opowiada dr Aiming Zhou z Huazhong Agricultural University. Ta niesamowita umiejętność nie tylko zmniejszała ryzyko utonięcia, ale i zapewniała większą powierzchnię do zbierania roztworu. Okazało się, że struktury z piasku były tak skuteczne, że w ciągu 5 minut mogły wyciągać z pojemniczków niemal połowę cieczy. Naukowcy zmieniali napięcie powierzchniowe za pomocą surfaktantu. Gdy jego stężenie wynosiło ponad 0,05%, co przekładało się na znaczące ryzyko utonięcia, mrówki budowały struktury z piasku. Nie tworzyły ich, żerując na czystym roztworze cukru. Podczas eksperymentów owadom dostarczano piasek o różnej wielkości ziaren; w ten sposób można było określić ich preferencje budowlane w takiej sytuacji. Wiemy, że niektóre gatunki mrówek są w stanie posługiwać się narzędziami, szczególnie przy zbieraniu ciekłego pokarmu. Byliśmy jednak zaskoczeni niesamowitymi umiejętnościami S. richteri w tym zakresie - dodaje dr Jian Chen, entomolog z amerykańskiego Departamentu Rolnictwa. Dr Zhu podkreśla, że konieczne są dalsze badania. Nasze eksperymenty były prowadzone w laboratorium i dotyczyły wyłącznie S. richteri. Kolejnym krokiem powinno być ustalenie, jak bardzo zachowanie to jest rozpowszechnione u innych gatunków mrówek. « powrót do artykułu

Zespół miłośniczki piwa Elizavety Sopiny z Uniwersytetu Południowej Danii postanowił sprawdzić, czy ostukiwanie puszki piwa przed otwarciem pomaga zminimalizować utratę trunku. Okazuje się, że nie... Tłumacząc, do czego stukanie miałoby się przydać, zwolennicy tej metody wskazują, że na wewnętrznej powierzchni wstrząsanej puszki osadzają się pęcherzyki dwutlenku węgla. Przy otwarciu piwa następuje spadek ciśnienia. Pęcherzyki CO2 przemieszczają się wtedy ku powierzchni, unosząc ze sobą cenną ciecz. Opukiwanie ma sprawiać, że pęcherzyki będą podpływać w górę wcześniej, dzięki czemu po otwarciu straty piwa powinny, teoretycznie, być mniejsze. Będąc naukowcem, chciałam wiedzieć, czy to naprawdę ma jakiś wpływ - podkreśla Sopina. Duńska ekipa dostała pokaźny zapas 330-ml puszek od Carlsberga. Naukowcy zastrzegają, że firma nie miała jednak żadnego wpływu na schemat badania ani na analizę wyników. Puszki podzielono na 4 grupy: niewstrząsane/nieostukiwane (256), niewstrząsane/ostukiwane (251), wstrząsane/nieostukiwane (249) i wstrząsane/ostukiwane (244). Puszki wstrząsane umieszczano na 2 min w mechanicznej wytrząsarce. Intensywność wstrząsania miała przypominać wiezienie piwa rowerem. Ostukiwanie polegało na 3-krotnym puknięciu w ściankę puszki jednym palcem. Otwierający puszki testerzy nie wiedzieli, które puszki były wstrząsane i/lub opukiwane. Puszki ważono przed i po otwarciu. Niewylane piwo się nie marnowało, bo podawano je naukowcom i studentom razem z przekąskami. Okazało się, że w przypadku wstrząsanych puszek, gdy porównywano piwa ostukiwane i nieostukiwane, nie było istotnej statystycznie różnicy w masie utraconego napoju. W przypadku puszek niewstrząsanych również nie było istotnej statystycznie różnicy między napojami ostukiwanymi i nieostukiwanymi. Ponieważ stukanie nie miało wpływu na utratę piwa, istotna informacja jest taka, że z wytrząsanych puszek po otwarciu wypływało średnio 3,45 g piwa, a z niewytrząsanych 0,51 g. W analizie danych pomoże przesłany nam przez badaczkę wykres. Sopina podejrzewa, że przyczyny braku efektu można upatrywać w białkach jęczmienia, które stabilizują pęcherzyki i nie dopuszczają, by unosiły się one ku powierzchni. Wydaje się więc, że jak na razie najlepszą strategią na zminimalizowanie utraty płynu jest czekanie z otwarciem wytrząsanej wcześniej puszki. « powrót do artykułu

Podczas tegorocznego maratonu w Londynie przetestowane zostaną jadalne "płynne" kapsułki wytwarzane z wodorostów, które pomogą biegaczom ugasić pragnienie i nie przyczynią się do wzrostu zanieczyszczenia plastikiem. Kapsułki Ooho to wynalazek założycieli start-upu Skkiping Rocks Lab, absolwentów Imperial College London Pierre'a Pasliera i Rodriga Garcii. Na uczestników Virgin Money London Marathon na 23. mili czekać będzie ponad 30 tys. kapsułek z napojem izotonicznym Lucozade Sport. To największy test, jakiemu dotąd poddawano Ooho. Test to odpowiedź na narastające obawy dot. ilości odpadów plastikowych generowanych podczas masowych biegów. Ooho to pozbawiona smaku biodegradowalna membrana. Wytwarza się ją z wodorostów. Można ją wykorzystywać do zamykania w małym "bąblu" wody i innych cieczy. Paslier i Garcia podkreślają, że nawet jeśli Ooho nie zostaną zjedzone, rozkładają się w środowisku średnio po 6 tygodniach. Dla porównania, okres degradacji plastikowej butelki przekracza 400 lat. Ekipa z Skkiping Rocks Lab wypróbowuje Ooho jako zastępnik małych butelek na wodę, a także opakowań na soki czy różne sosy podawane w restauracjach typu fast food. Ukoronowaniem wysiłków Brytyjczyków jest londyński maraton z 28 kwietnia. Lise Honsinger dodaje, że prowadzone są też rozmowy z organizatorami październikowego półmaratonu Royal Parks, gdzie ustawiono by punkt z wodą, a także z organizatorami maratonu nowojorskiego. Skkiping Rocks Lab dysponuje przemysłową maszyną do produkcji Ooho. Dzięki niej w 5-10 min można uzyskać do 100 kapsułek. Kiedyś firma rezydowała na terenie inkubatora przedsiębiorczości Imperial White City. Obecnie w laboratorium w Bethnal Green pracuje 14-osobowy zespół. « powrót do artykułu

Kolonie rozmnażających się pingwinów królewskich zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Dzięki "ciekłej" organizacji mogą osiągnąć 2 cele naraz: trzymać się razem i chronić się przed drapieżnikami. Naukowcy podkreślają, że pingwinom królewskim zagraża zmiana klimatu - wyższe temperatury przesuwają ich główne źródła pokarmu bardziej na południe. Informacje dot. tworzenia oraz struktury kolonii (a więc i tego, jak ewentualnie wpłyną na nie fizyczne cechy nowych lęgowisk) mają kluczowe znaczenie dla określenia odporności pingwinów. Zainteresowanie grupami pingwinów królewskich wynika także z tego, że tylko one i pingwiny cesarskie nie budują gniazd, a dotąd nikt nie sprawdzał, jaki ma to wpływ na kolonie - podkreśla Richard Gerum, doktorant z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Pingwiny królewskie składają w sezonie lęgowym jedno jajo. Rodzice wysiadują je na zmianę przez ok. 55 dni. Jajo jest trzymane na stopach i przykrywane fałdą brzuszną. Bardzo duże i gęste kolonie tworzą pary i niesparowane osobniki. Pingwiny królewskie mają bardzo długi 14-miesięczny cykl rozrodczy, przez co kolonia jest de facto mieszaniną par o wczesnym i późnym rozrodzie. Badając na przestrzeni paru lat strukturę 2 kolonii z Wyspy Crozeta i Wysp Kerguelena, naukowcy wykonywali zdjęcia z helikoptera. Następnie analizowali tzw. radialną funkcję rozkładu (ang. radial distribution function, RDF); daje ona pojęcie o średnim otoczeniu atomów w ciałach stałych, cieczach i gazach. Symulacje komputerowe ruchów kolonii pokazały, że pingwiny przemieszczają się jak cząsteczki cieczy w przestrzeni 2D (przyciągają się bowiem i odpychają na ograniczonej płaszczyźnie). Ten ciekły stan jest kompromisem między gęstością (tym, jak bardzo zbita jest kolonia) a elastycznością (która pozwala kolonii przystosowywać się do zmian zewnętrznych i wewnętrznych). Jeśli np. para traci lub porzuca swoje jajo, [teoretycznie] tworzy w kolonii wakat, lecz analizując nasze fotografie lotnicze, nigdy nie widzieliśmy pustych miejsc. Są one prawdopodobnie zajmowane przez pingwiny, które zajmowały mniej odpowiednie miejsca - opowiada Daniel Zitterbart, fizyk z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI). Zitterbart dodaje, że kolejnym krokiem badaczy będzie opracowanie zdalnych metod obserwacji statusu kolonii. Ta publikacja jest pierwszą próbą kompleksowej oceny struktury i dynamiki kolonii pingwinów królewskich i pierwszym krokiem na drodze do opracowania bardziej zaawansowanych deskryptorów kolonii. W przyszłości powinno to pomóc w zdalnym ustalaniu zagrożenia gatunku. « powrót do artykułu