Znajdź zawartość

Zwykle w zamarzającej wodzie pojawiają się kryształy lodu, które rozrastają się, zamieniając płyn w ciało stałe. Zwykle, bo nie zawsze. Okazuje się, że kropla po opadnięciu na zimną powierzchnię zamarza w inny sposób. Naukowcy z Uniwersytetu Twente i Centrum Dynamiki Płynów im. Maxa Plancka zauważyli, że gdy kropla spadnie na zimną powierzchnię, w jej centrum pojawia się rodzaj zimnych frontów rozszerzających się ku krawędziom. Wciąż rozprzestrzeniająca się kropla zaczyna zamarzać, w miarę, jak przesuwają się przez nią kolejne fronty. To wyjaśnia, dlaczego gdy na bardzo zimą drogę spada deszcz, błyskawicznie robi się ona niezwykle śliska. Naukowcy badali sposób zamarzania opadających kropli filmując od dołu krople heksadekanu. Używali przy tym lasera, którego światło odbijało się od płynu oraz super szybkiej kamery. Temperatura topnienia heksadekanu wynosi 18 stopni Celsjusza. Uczeni zaobserwowali, że wspomniane zimne fronty pojawiały się, gdy kropla tego związku spadała na powierzchnię, której temperatura była o 11 stopni Celsjusza niższa od temperatury topnienia. Wykazali przy tym, że kropla jest najzimniejsza w punkcie, w którym uderzyła w powierzchnię, czyli na środku. Formują się tam kryształy, ale jednocześnie ruch płynu wypycha je ku krawędziom. Proces ten powtarza się do czasu, aż kropla zamarza. Okazało się też, że temperatura powierzchni zmienia siłę przywierania doń zamarzniętej kropli. Badania takie nie tylko pozwalają odkryć mechanizmy zamarzania, ale umożliwią też opracowanie np. powłok zapobiegających pokrywaniu się lodem skrzydeł samolotów. Mogą również przyczynić się do udoskonalenia technik druku 3D, w których wykorzystywany jest płynny wosk. W końcu przyczynią się do udoskonalenia procesu produkcji procesorów za pomocą technologii litografii w ekstremalnie dalekim ultrafiolecie (EUV). « powrót do artykułu

Woda to jeden z najprostszych, ale zarazem najdziwniejszych związków chemicznych. W szkole uczą nas, że występują trzy stany skupienia wody: lód, ciecz i gaz, czyli para wodna. Kto uważniej słuchał na lekcjach pamięta jeszcze, woda różni się od innych substancji: w fazie stałej jest lżejsza niż w ciekłej - cząsteczki wody tworzą bowiem puste w środku klatki, zamarzając woda powiększa swoją objętość - z tego samego powodu. Jeszcze bardziej uważni mogą pamiętać, że po roztopieniu zachowuje jeszcze część struktury lodu, oraz że zwiększa swoją objętość już od temperatury 4º Celsjusza. Rzeczywistość jest bardziej skomplikowana, naukowcy zamiast trzech, wyróżniają aż piętnaście faz skupienia wody. Ostatnio odkryto jeszcze jedną, będącą mieszaniną fazy ciekłej i stałej. Odkryta przez naukowców z Uniwersytetu Utah faza będąca współistnieniem cieczy i lodu nie jest raczej spotykana na co dzień, ale mimo to jej zrozumienie będzie mieć znaczenie praktyczne. Stan skupienia nazwany dowcipnie „ziemią niczyją" pojawia się, kiedy woda krystalizuje w bardzo niskiej temperaturze, poniżej 180 kelwinów. Właśnie ten stan rozmycia pomiędzy wyraźnymi fazami zainteresował Valerię Molinero, a to dlatego, że pojawia się on w górnych warstwach atmosfery. Odkryte dziwne zachowanie wody może mieć istotny wpływ na formowanie się i zachowanie chmur. Valeria Molinero i Emily Moore natknęły się na to zjawisko badając proces zamarzania przechłodzonej wody. Niestety, ruch cząsteczek okazał się zbyt szybki do bezpośredniej obserwacji. Posłużono się więc symulacją komputerową dla określenia właściwości takiego stanu. Badania nad zachowaniem się wody w różnych warunkach, jakie prowadzi Valeria Molinero, mimo pozornej hermetyczności, mogą okazać się ważne w wielu dziedzinach nauki. Wiele z cech wody jest istotnych dla istnienia i zachowania życia na naszej planecie. A zrozumienie właściwości, jakie woda zyskuje w warunkach niskich temperatur będzie na pewno istotne dla przyszłych, ulepszonych modeli przewidywania pogody.

Naukowcy natrafili na ślad białek, które zapobiegają zamarzaniu. Pokrywają one powierzchnię kryształów lodu i nie dopuszczają do ich powiększania się (tworzą na powierzchni coś w rodzaju imadła). Jednym ze związków o największym potencjale jest substancja uzyskiwana od będących szkodnikami jodeł motyli Choristoneura fumiferana. Badacze mają nadzieję, że bazując na ich najnowszym odkryciu, uda się m.in. opracować cząsteczki utrzymujące narządy do przeszczepów dłużej przy życiu. Białka zapobiegające zamarzaniu nazywa się też białkami ISP (od ang. ice-structuring proteins). To one pomagają zwierzętom przeżyć w temperaturach, w których teoretycznie tkanki powinny obumrzeć, rozsadzone przez kryształy lodu. Już teraz producenci lodów dodają ISP do swoich niskotłuszczowych wyrobów, by poprawić ich strukturę. Rozkoszując się smakiem, nie natrafiamy dzięki temu na zgrzytające w zębach miniaturowe sople. Aby sprawdzić, do których fragmentów kryształów lodu przylegają białka, zespół biofizyka Ido Braslavsky'ego z Ohio University połączył różne rodzaje ISP z proteinami jarzącymi się pod mikroskopem na zielono. Badacze zanurzali niewielkie kryształy lodu w roztworze białek uzyskanych z Choristoneura fumiferana. W miarę obniżania temperatury do pewnego momentu rozmiary kryształów pokrytych ISP nie zmieniały się. Potem nagle zaczynały one rosnąć, kiedy było zbyt zimno, aby białka mogły to wytrzymać. Kryształy lodu gromadzą się razem i tworzą struktury przypominające plastry miodu. Naukowcy zauważyli, że słabiej działające białka ISP, które uzyskiwano z ryb, nie dopuszczały do bocznego powiększania się plastrów. Ponieważ nowe cząsteczki lodu mogły się przyczepiać tylko do górnych lub dolnych krawędzi, zmieniły swój kształt (z dysków czy kropli przemieniły się w sześciościenne diamenty). Białka ISP z motyli gromadzą się na wszystkich krawędziach i ścianach kryształów, blokując oba kierunki rozrastania się płacht lodu.