Pokonali zjawisko Leidenfrosta i chłodzą cieczą powyżej 1100 stopni Celsjusza
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez 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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Opracowany w Belgii nowy materiał do produkcji ubrań może nas ogrzewać lub chłodzić, wszystko zależy od tego, którą stroną go włożymy. Symulacje przeprowadzone przez Muluneha Abebe i jego kolegów z belgijskiego Uniwersytetu w Mons wykazały, że ubrania z tego materiału zapewniają komfort termiczny w temperaturach różniących się nawet o 13 stopni.
Gdy znajdujemy się na zewnątrz około połowy ciepła tracimy przez zjawiska przewodnictwa i konwekcji. Ogrzewać możemy się nakładając kolejne warstwy ubrań. Jednak drugą część ciepła tracimy przez promieniowanie podczerwone, zarówno ze skóry jak i powierzchni okrywających nas ubrań. W tym wypadku możemy bronić się przed utratą ciepła blokując promieniowanie podczerwone, lub też chłodzić się – zwiększając je.
Już podczas wcześniejszych badań belgijscy naukowcy wykazali, że niektóre materiały mogą efektywnie absorbować promieniowanie podczerwone z powierzchni naszej skóry, a następnie efektywnie je uwalnia do otoczenia. W ten sposób ułatwiają nam chłodzenie się.
Dotychczas jednak tego typu materiały zawierały nieprzepuszczalne membrany, które więziły powietrze i wilgoć, więc ich noszenie byłoby niekomfortowe. Abebe i jego zespół zaprezentowali teoretyczny model materiału o grubości 20 mikrometrów, który składa się z dwóch różnych warstw. Jednej wytworzonej z włókien dielektrycznych, drugiej z włókien metalicznych. Włókna dielektryczne emitują duże ilości promieniowania podczerwonego, zaś włókna metaliczne charakteryzuje niska emisja.
Po stworzeniu takiego modelu naukowcy obliczyli jego właściwości transmisji promieniowania podczerwonego, jego odbijania i absorpcji. Z obliczeń wynika, że jeśli materiał dotykałby skóry, zapobiegałby ucieczce ciepła i odczuwalibyśmy komfortowe ciepło w temperaturze nawet 11 stopni Celsjusza. Z kolei po odwróceniu na drugą stronę efektywnie by nas chłodził w temperaturze dochodzącej do 24 stopni Celsjusza.
Nowy materiał byłby elastyczny i wygodny w używaniu, a przestrzenie między włóknami umożliwiałyby ucieczkę wilgoci. Abebe przyznaje, że ze względu na wysokie koszty wytworzenia takiego materiału, na pewno nie pojawi się on na rynku w najbliższym czasie. Jednak uczeni mają nadzieję, że ich badania zainspirują kolejne grupy naukowe i w końcu pojawią się wygodne tanie ubrania o właściwościach chłodzących i ogrzewających.
Materiał został opisany na łamach Physical Review Applied.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Nowy półprzewodnik, arsenek boru (BAs), ma wysoką przewodność cieplną i może być zintegrowany ze współczesnymi chipami, by odprowadzić z nich ciepło i poprawić tym samym ich wydajność. Materiał ten lepiej rozprasza ciepło niż najlepsze dostępnie obecne systemy do chłodzenia podzespołów komputerowych – twierdzą twórcy arsenku boru.
Coraz większa miniaturyzacja, możliwość umieszczenia na tej samej powierzchni coraz większej liczby tranzystorów, oznacza, że procesory są coraz szybsze. Pojawiają się jednak problemy z odprowadzaniem ciepła, szczególnie w postaci lokalnych punktów znacznie wyższej temperatury. Ciepło to negatywnie wpływa na wydajność układów.
Yongjie Hu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzył niedawno wolny od wad arsenek boru. To materiał, który rozprasza ciepło znacznie lepiej niż inne metale i półprzewodniki, jak diament czy węglik krzemu. Hu i jego koledzy wykazali też, że można go zintegrować z układami scalonymi zawierającymi tranzystory z azotku galu. Następnie przeprowadzili badania, które wykazały, że w układzie scalonym ze zintegrowanym arsenkiem boru, pracującym z niemal maksymalną wydajnością, temperatura najcieplejszych punktów jest znacznie niższa niż w układach chłodzone za pomocą innych materiałów.
W czasie eksperymentów punktowa temperatura układów scalonych z arsenkiem boru wzrosła od temperatury pokojowej do nieco poniżej 87 stopni Celsjusza, podczas gdy chłodzonych diamentem wyniosła niemal 137 stopni, a chłodzonych węglikiem krzemu – zbliżyła się do 167 stopni Celsjusza.
Wykazaliśmy, że możemy przetwarzać strukturę BAs i integrować ją z chipem o wysokiej mobilności elektronów. To bardzo obiecujące rozwiązanie dla wysoko wydajnej elektroniki, mówi Hu.
Dodatkową zaletą arsenku boru jest jego bardzo niski opór cieplny na styku z innym materiałem. To zaś oznacza, że transport ciepła odbywa się szybciej niż w przypadku konkurencyjnych rozwiązań. To tak, jakby ciepło mogło przeskoczyć przez przeszkodę, jaką stanowi styk dwóch materiałów, w porównaniu z innymi rozwiązaniami, gdzie zwalnia, by ostrożnie przeszkodę przekroczyć, wyjaśnia Hu.
Naukowcy, zachęceni wynikami swoich eksperymentów, planują teraz zintegrować swój materiał z różnymi rodzajami obwodów i chipami o różnej architekturze.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
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
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.