Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Przechłodzona woda to dwie ciecze w jednej. Nowe badania pomagają lepiej zrozumieć wodę

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

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.

dzisiaj może i tak.

Pamiętam incydent z epoki węgla.

Normalna zima(-20 SC), Fiat 125p, normalny akumulator z korkami i potrzeba uzupełnienia wody destylowanej :). Ojciec przechylił bańkę z wodą która w sekundę zamarzła(cała bańka) nim doleciała do otworu. I po chwili jeszcze większe zdziwko bo bańka jest ciepła i można ogrzać zmarznięte ręce jak termoforem :D

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zmiany klimatyczne mogą w wielu miejscach na świecie zmniejszyć zdolność gleby do absorbowania wody, twierdzą naukowcy z Rutgers University. To zaś będzie miało negatywny wpływ na zasoby wód gruntowych, produkcję i bezpieczeństwo żywności, odpływ wód po opadach, bioróżnorodność i ekosystemy.
      Wskutek zmian klimatu na całym świecie zmieniają się wzorce opadów i inne czynniki środowiskowe, uzyskane przez nas wyniki sugerują, że w wielu miejscach na świecie może dość szybko dojść do znacznej zmiany sposobu interakcji wody z glebą, mówi współautor badań Daniel Giménez. Sądzimy, że należy badać kierunek, wielkość i tempo tych zmian i włączyć je w modele klimatyczne. Uczony dodaje, że obecność wody w glebie jest niezbędna, by ta mogła przechowywać węgiel, jej brak powoduje uwalnianie węgla do atmosfery.
      W ubiegłym roku w Nature ukazał się artykuł autorstwa Giméneza, w którym naukowiec wykazał, że regionalne wzrosty opadów mogą prowadzić do mniejszego przesądzania wody, większego jej spływu po powierzchni, erozji oraz większego ryzyka powodzi. Badania wykazały, że przenikanie wody do gleby może zmienić się już w ciągu 1-2 dekad zwiększonych opadów. Jeśli zaś mniej wody będzie wsiąkało w glebę, mniej będzie dostępne dla roślin i zmniejszy się parowanie.
      Naukowcy z Rutgers University od 25 lat prowadzą badania w Kansas, w ramach których zraszają glebę na prerii. W tym czasie odkryli, że zwiększenie opadów o 35% prowadzi do zmniejszenia tempa wsiąkania wody w glebę o 21–35 procent i jedynie do niewielkiego zwiększenia retencji wody.
      Największe zmiany zostały przez naukowców powiązane ze zmianami w porach w glebie. Duże pory przechwytują wodę, z której korzystają rośliny i mikroorganizmy, co prowadzi do zwiększonej aktywności biologicznej, poprawia obieg składników odżywczych w glebie i zmniejsza erozję.
      Gdy jednak dochodzi do zwiększenia opadów, rośliny mają grubsze korzenie, które mogą zatykać pory, a to z kolei powoduje, że gleba słabiej się poszerza i kurczy gdy wody jest więcej lub mniej.
      W kolejnym etapie badań naukowcy chcą dokładnie opisać mechanizm zaobserwowanych zmian, by móc ekstrapolować wyniki badań z Kansas na inne regiony świata i określić, w jaki sposób zmiany opadów wpłyną na gleby i ekosystemy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Oczyszczanie wody z rozpuszczalników organicznych, takich jak trichloroetylen (TRI), to nic nowego. Ale znalezienie metody, która takie zanieczyszczenia rzeczywiście neutralizuje, a nie tylko przesuwa w inne miejsce, to już wyczyn. Zespół pod kierunkiem dr hab. Anny Śrębowatej opracował metodę katalitycznego wodorooczyszczania, czyli przekształcania TRI w mniej szkodliwe dla środowiska węglowodory. Dzięki naukowcom z IChF PAN woda, nie tylko w naszych kranach, ale też w rzekach, może być czystsza i bezpieczniejsza dla zdrowia.
      Czysta woda to skarb, a zarazem dobro coraz trudniej dostępne. Rozmaite zanieczyszczenia są powszechne, a część z nich niezwykle trudno usunąć. Do takich zanieczyszczeń należy trichloroetylen (w Polsce oznaczany akronimem TRI). Ten organiczny rozpuszczalnik był powszechnie stosowany np. w syntezach organicznych, pralniach chemicznych oraz do przemysłowego odtłuszczania metali w procesie ich obróbki. Ze względu na szkodliwość od 2016 r. jego użycie zostało oficjalnie zakazane. Jednakże biorąc pod uwagę trwałość, może on jeszcze przez wiele lat występować zarówno w wodzie, jak i glebie – wyjaśnia Emil Kowalewski z zespołu, który opracował nowatorską metodę oczyszczania wody z tego związku. Projekt jest częścią globalnego trendu skoncentrowanego na ochronie zasobów wodnych. Prowadzone badania mogą być interesujące dla przemysłu, stać się potencjalnym punktem wyjścia do opracowania nowatorskich systemów oczyszczania wody. Dlaczego?
      Dzisiejsze oczyszczalnie ścieków to systemy składające się z wielu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, ale efektywnie eliminują głównie konwencjonalne zanieczyszczenia. Inne przy odpowiednio wysokich stężeniach mogą pozostawać w wodzie. Tymczasem trichloroetylenu nie powinno być w niej wcale, ze względu na to, że jest mutagenny, kancerogenny, teratogenny, a do tego niezwykle trwały. Kumuluje się i zostaje na dnie zbiorników, a że jego rozpuszczalność w wodzie jest bardzo słaba, może szkodzić jeszcze przez wiele lat.
      Dziś z takimi związkami radzimy sobie, głównie przeprowadzając ich sorpcję. Jednakże w ten sposób jedynie przenosimy zagrożenie z miejsca na miejsce. Atrakcyjnym rozwiązaniem wydaje się katalityczne wodorooczyszczanie, czyli przekształcanie TRI w mniej szkodliwe dla środowiska węglowodory. Aby w pełni wykorzystać potencjał drzemiący w tej metodzie, trzeba było jednak opracować wydajny, stabilny i tani katalizator -mówi dr hab. Anna Śrębowata, profesor IChF.
      Wcześniej przeprowadzaliśmy badania z katalizatorami palladowymi. Były skuteczne, ale kosztowne - uśmiecha się Emil Kowalewski. Nowe katalizatory niklowe, opracowane w IChF PAN, pozwalają w tani i efektywny sposób prowadzić proces oczyszczania wody w trybie przepływowym, a przy tym są proste w syntezie. Wykorzystując katalizator, w którym nanocząstki niklu o średnicy ok. 20 nm osadzamy na powierzchni węgla aktywnego, łączymy właściwości sorpcyjne węgla i aktywność katalityczną niklu - wyjaśnia dr Kowalewski. W swoich badaniach naukowcy z IChF PAN wykazali ponadto, że nanocząstki niklu osadzone na węglu aktywnym o częściowo uporządkowanej strukturze wykazują wyższą aktywność i stabilność niż analogiczny katalizator oparty na nośniku o strukturze amorficznej.
      Naukowcy są jednak najbardziej dumni z innowacyjnego elementu swoich badań: technologii przepływowej. Dzięki niej można optymalizować parametry procesu, zmniejszyć ilość odpadów, a przy tym wykorzystywać katalizatory, które w reaktorach okresowych (czyli takich, gdzie jednorazowo oczyszcza się określoną partię produktu) były nieefektywne lub wręcz nieskuteczne. Tak było z naszym katalizatorem niklowym - opowiada dr Kowalewski. Bez technologii przepływowej jego zdolności do utylizowania TRI szybko spadały, katalizator ulegał zatruciu. W reaktorze przepływowym nawet po 25 godzinach nie obserwowaliśmy spadku aktywności, choć prowadziliśmy badania na stężeniach około 8000 razy przekraczających polskie normy jego zawartości w wodzie pitnej.
      Gdzie można wykorzystać nowatorską metodę? Przede wszystkim w stacjach uzdatniania wody i oczyszczalniach ścieków. Tam, gdzie chcemy, żeby woda trafiająca do "końcowego odbiorcy", niezależnie czy jest to użytkownik wody z kranu, czy pływająca w rzece ryba, była czysta.
      A co zrobić z produktami reakcji wodorooczyszczania wody z trichloroetylenu? Powstającymi związkami są węglowodory, głównie etylen. Nie powstaje go jednak na tyle dużo, by wystarczyło na dojrzewalnię bananów - uśmiecha się półżartem naukowiec. Po prostu się ulotni...

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...