Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Samonapędzający się lód. Wystarczy odpowiednia powierzchnia
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Lód w przestrzeni kosmicznej jest inny, niż dotychczas sądzono, wynika z badań przeprowadzonych przez uczonych z University College London i University of Cambridge. Ich zdaniem, zawiera on niewielkie kryształki i nie jest całkowicie nieuporządkowanym amorficznym materiałem, jak woda. Przez dekady uważano, że lód poza Ziemią nie posiada struktury, jest amorficzny, gdyż znacznie niższe niż na Ziemi temperatury nie zapewniają wystarczająco dużo energii, by podczas zamarzania uformowały się kryształy.
Autorzy nowych badań przyjrzeli się najpowszechniej występującej formie lodu we wszechświecie, amorficznemu lodowi o niskiej gęstości, który występuje w kometach, na lodowych księżycach czy w chmurach materiału, z których powstają gwiazdy i planety. Przeprowadzone przez nich symulacje komputerowe wykazały, że lód taki najlepiej odpowiada wynikom analiz gdy nie jest w pełni amorficzny, a zawiera niewielkie kryształki o średnicy 3 nanometrów. Naukowcy przeprowadzili też badania, w czasie których krystalizowali (np. poprzez podgrzewanie) uzyskane w różny sposób próbki amorficznego lodu. Zauważyli, że ostateczna struktura krystaliczna lodu zależała od tego, w jaki sposób został oryginalnie utworzony. Stwierdzili też, że gdyby taki lód był w pełni amorficzny, to nie zachowałby żadnych informacji o swojej wcześniejszej strukturze.
Teraz mamy dobre pojęcie, jak na poziomie atomowym wygląda najbardziej rozpowszechniony lód we wszechświecie. To bardzo ważna wiedza, gdyż lód bierze udział w wielu procesach kosmologicznych, na przykład w formowaniu się planet, ewolucji galaktyk czy przemieszczaniu materii we wszechświecie, wyjaśnia główny autor badań doktor Michael B. Davies.
Lód na Ziemi to kosmologiczny ewenement z powodu wysokich temperatur panujących na naszej planecie. Ma dzięki nim uporządkowaną naturę. Uznawaliśmy, że lód w pozostałych częściach wszechświata jest jak unieruchomiona ciekła woda, nieuporządkowana struktura. Nasze badania pokazują, że nie jest to do końca prawda. I każą zadać pytanie o amorficzne struktury w ogóle. Takie materiały są niezwykle ważne dla nowoczesnych technologii. Na przykład światłowody powinny być amorficzne. Jeśli jednak zawierają niewielkie kryształki, a my będziemy potrafili je usunąć, poprawimy ich wydajność, dodaje profesor Christoph Salzmann.
Badania prowadzono zarówno metodą symulacji komputerowych, jak i tworząc amorficzny lód. Metodami obliczeniowymi sprawdzano dwa rodzaje wirtualnego lodu. Jeden powstawał podczas obniżania temperatury wirtualnych molekuł wody do -120 stopni Celsjusza. W zależności od tempa schładzania otrzymany lód składał się ze struktury krystalicznej i amorficznej w różnych proporcjach. Okazało się, że właściwości wirtualnego lodu zawierającego 20% struktury krystalicznej i 80% amorficznej blisko odpowiadają właściwościom prawdziwego lodu amorficznego o niskiej gęstości, który badano metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Drugi rodzaj lodu składał się z niewielkich ściśniętych razem kryształków pomiędzy którymi symulowano istnienie struktury amorficznej. Taki lód wykazywał największe podobieństwo do prawdziwego kosmicznego lodu gdy zawierał 25% kryształków.
Natomiast podczas badań eksperymentalnych uzyskiwano amorficzny lód o niskiej gęstości albo poprzez osadzanie pary wodnej na bardzo zimnej powierzchni, albo podgrzewając amorficzny lód o dużej gęstości. Następnie tak uzyskany amorficzny lód o niskiej gęstości był delikatnie podgrzewany, by miał wystarczająco dużo energii do utworzenia kryształów. Różnice w uzyskanej w ten sposób strukturze zależały od pierwotnej metody wytworzenia lodu. W ten sposób naukowcy doszli do wniosku, że gdyby lód taki był całkowicie amorficzny, nie zachowałby pamięci o swojej pierwotnej strukturze.
Lód to potencjalnie bardzo przydatny materiał w kosmosie. Mógłby posłużyć do ochrony pojazdu kosmicznego przed promieniowaniem czy do wytworzenia paliwa. Dlatego musimy lepiej rozumieć jego różne rodzaje i właściwości, podsumowuje doktor Davies.
Źródło: Low-density amorphous ice contains crystalline ice grains, https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.112.024203
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zwierzęta są nie tylko mieszkańcami Ziemi, ale też jej architektami, kształtującymi krajobraz, w którym żyją. Termity tworzą wysokie kopce i rozległe podziemne korytarze, hipopotamy drążą ścieżki i kanały, a bobry tworzą rozległe mokradła. Dotychczas jednak badania nad zwierzęcymi architektami krajobrazu skupiały się na konkretnych pojedynczych gatunkach. Profesor Gemma Harvey i jej zespół z Queen Mary University w Londynie opublikowali na łamach PNAS pierwszą globalną syntezę wiedzy o takich gatunków. Uczeni zidentyfikowali 603 gatunki, rodzaje i rodziny, które wpływają na procesy toczące się na powierzchni Ziemi.
Setki gatunków owadów, ssaków, ryb, ptaków czy płazów w znaczący sposób kształtują swoje środowisko. Najczęściej są to przykłady bardzo nieoczywiste. Okazuje się na przykład, że łososie podczas tarła przemieszczają tyle osadów, ile przemieszcza się podczas powodzi. Zwierzęta słodkowodne odgrywają zresztą olbrzymią rolę w kształtowaniu środowiska. Mimo, że wody słodkie zajmują jedynie 2,4% powierzchni planety, to żyje w nich ponad 30% ze zidentyfikowanych gatunków zwierzęcych architektów.
Autorzy badań ostrożnie obliczają, że energia włożona przez te gatunki w kształtowanie terenu wynosi co najmniej 76 000 GJ, czyli tyle, co energia setek tysięcy potężnych powodzi. To daje wyobrażenie, jak wielką rolę odgrywają zwierzęta. A jest to liczba z całą pewnością znacząco zaniżona, gdyż mamy poważne luki w wiedzy, szczególnie tej dotyczące obszarów tropikalnych i subtropikalnych, gdzie bioróżnorodność jest naprawdę duża, a liczba przeprowadzonych badań ograniczona.
Dużą rolę w kształtowaniu krajobrazu odgrywają na przykład termity, których kopce w Brazylii pokrywają tysiące kilometrów kwadratowych terenu. Termity czy inni architekci krajobrazu – mrówki – są jednak bardzo rozpowszechnione. Około 1/3 ze wspomnianych w pracy gatunków to gatunki rzadkie, endemiczne lub zagrożone. Jeśli one znikną, dojdzie też do zatrzymania procesów, których są autorami. Będzie to nie tylko strata dla ludzkości, która nigdy nie pozna istoty tych procesów, ale też olbrzymie zagrożenie dla ekosystemów, dla których wiele z tego typu zjawisk odgrywa kluczową rolę.
Nasze badania pokazują, że rola zwierząt w kształtowaniu krajobrazu Ziemi jest znacznie większa, niż sądziliśmy. Od bobrów tworzących mokradła, po mrówki budujące kopce z Ziemi, procesy te mają kluczowe znaczenie dla środowiska. Doprowadzając do utraty bioróżnorodności ryzykujemy ich utratę, mówi profesor Harvey.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Problem grzania korony słonecznej pozostaje nierozwiązany od 80 lat. Z modeli obliczeniowych wynika, że temperatura we wnętrzu Słońca wynosi ponad 15 milionów stopni, jednak na jego widocznej powierzchni (fotosferze) spada do około 5500 stopni, by w koronie wzrosnąć do około 2 milionów stopni. I to właśnie ta olbrzymia różnica temperatur pomiędzy powierzchnią a koroną stanowi zagadkę. Jej rozwiązanie – przynajmniej częściowe – zaproponował międzynarodowy zespół naukowy z Polski, Chin, USA, Hiszpanii i Belgii. Zdaniem badaczy za podgrzanie części korony odpowiadają... chłodne obszary na powierzchni.
W danych z Goode Solar Telescope uczeni znaleźli intensywne fale energii pochodzące z dość chłodnych, ciemnych i silnie namagnetyzowanych regionów fotosfery. Takie ciemniejsze regiony mogą powstawać, gdy silne pole magnetyczne tłumi przewodzenie cieplne i zaburza transport energii z wnętrza naszej gwiazdy na jej powierzchnię. Naukowcy przyjrzeli się aktywności tych chłodnych miejsc, przede wszystkim zaś włóknom plazmy powstającym w umbrze, najciemniejszym miejscu plamy słonecznej. Włókna te to stożkowate struktury o wysokości 500–1000 kilometrów i szerokości około 100 km. Istnieją one przez 2-3 minuty i zwykle ponownie pojawiają się w tym samym najciemniejszym miejscu umbry, gdzie pola magnetyczne są najsilniejsze, wyjaśnia profesor Vasyl Yurchyshyn z New Jersey Institute of Technology (NJIT).
Te ciemne dynamiczne włóka obserwowane były od dawna, jednak jako pierwsi byliśmy w stanie wykryć ich oscylacje boczne, które są powodowane przez szybko poruszające się fale. Te ciągle obecne fale w silnie namagnetyzowanych włóknach transportują energię w górę i przyczyniają się do podgrzania górnych części atmosfery Słońca, dodaje Wenda Cao z NJIT. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że fale te przenoszą tysiące razy więcej energii niż ilość energii tracona w aktywnych regionach atmosfery. Rozprzestrzenianie się tej energii jest nawet o 4 rzędy wielkości większa niż ilość energii potrzebna do utrzymania temperatury korony słonecznej.
Wszędzie na Słońcu wykryto dotychczas różne rodzaje fal. Jednak zwykle niosą one ze sobą zbyt mało energii, by podgrzać koronę. Szybkie fale, które wykryliśmy w umbrze plam słonecznych to stałe i wydajne źródło energii, które może podgrzewać koronę nad plamami, wyjaśnia Yurchyszyn. Odkrycie to, jak mówią naukowcy, nie tylko zmienia nasz pogląd na umbrę plam, ale również jest ważnym krokiem w kierunku zrozumienia transportu energii i podgrzewania korony.
Jednak, jak sami zauważają, zagadka grzania korony słonecznej nie została rozwiązania. Przepływ energii pochodzącej z plam może odpowiadać tylko za podgrzanie pętli koronalnych, które biorą swoje początki z plam. Istnieją jednak inne, wolne od plam, regiony Słońca powiązane z gorącymi pętlami koronalnymi. I czekają one na swoje wyjaśnienie, dodaje Cao.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego nagrali spontaniczne ruchy noworodków i niemowląt i połączyli je z komputerowym modelem mięśniowo-szkieletowym. W ten sposób przeanalizowali sposób komunikacji między mięśniami oraz odczucia w całym organizmie małego człowieka. Odkryli w tych spontanicznych ruchach wzorce interakcji między mięśniami i stwierdzili, że takie spontaniczne poruszanie się przygotowuje dziecko do wykonywania sekwencyjnych celowych ruchów w przyszłości.
Badania te pomogą lepiej nam zrozumieć zarówno rozwój sensomotoryczny człowieka, jego ewolucję, jak i wcześniej diagnozować zaburzenia rozwojowe.
Dzieci poruszają się już w łonie matki, wykonując pozornie bezcelowe ruchy, do których dochodzi bez żadnej stymulacji zewnętrznej. Jeśli udałoby się lepiej je rozumieć i opisać rolę, jaką odgrywają w rozwoju człowieka, można by na bardzo wczesnym etapie wychwytywać sygnały takich chorób jak na przykład dziecięce porażenie mózgowe.
Dotychczas badania nad rozwojem sensomotorycznym skupiały się na właściwościach kinetycznych, aktywności poszczególnych mięśni i stawów. Japońscy naukowcy przyjrzeli się aktywności całego ciała oraz przesyłanych przez nie sygnałów. Połączenie modelu mięśniowo-szkieletowy z wiedzą z zakresu neurologii pozwoliło zauważyć, że te spontaniczne ruchy, które wydają się być bezcelowe, przyczyniają się do koordynacji rozwoju sensomotorycznego.
Naukowcy najpierw nagrywali ruchy stawów u 12 noworodków młodszych niż 10 dni oraz u 10 niemowląt w wieku około 3 miesięcy. Następnie za pomocą modelu komputerowego badali aktywność mięśni i przepływ impulsów nerwowych w skali całego organizmu. Następnie za pomocą algorytmów oszacowali przebieg interakcji pomiędzy impulsami a aktywnością mięśni. Ze zdumieniem zauważyli, że ruchy dzieci były bardziej przypadkowe, niż dotychczas sądzono.
Byliśmy zaskoczeni tym, że podczas spontanicznego poruszania się, ruchy niemowląt „błądziły”, a dzieci wchodziły w różne interakcje sensomotoryczne. Nazwaliśmy to nawet „sensomotorycznym błądzeniem”. Obecnie przyjmuje się, że rozwój układu sensomotorycznego zależy od pojawiania się powtarzalnych interakcji, zatem im częściej wykonuje się dany ruch, tym lepiej jest on zapamiętywany. Jednak uzyskane przez nas wyniki wskazują, że niemowlęta rozwijają swój układ sensomotoryczny bazując na własnej ciekawości i eksploatacji świata, więc nie powtarzają po prostu tych samych działań, ale korzystają z szerokiego zestawu akcji. Ponadto nasze badania wskazują na istnienie związku pomiędzy wczesnymi spontanicznymi ruchami a spontaniczną aktywnością neuronów, mówi profesor Hoshinori Kanazawa.
Badania wspierają hipotezę mówiącą, że noworodki i niemowlęta uczą się synchronizowania mięśni i impulsów nerwowych poprzez ruchy całego ciała, bez założonego z góry celu czy planu. W niedalekiej przyszłości Kanazawa chce zbadać, jak „błądzenie sensomotoryczne” wpływa na rozwój takich umiejętności jak chodzenie czy sięganie po przedmioty oraz na bardziej złożone zachowania i wyższe funkcje poznawcze. Chce dzięki temu poszerzyć wiedzę dotyczącą jego głównego obszaru zainteresowań, czyli rehabilitacji niemowląt.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Z im większą prędkością dwie powierzchnie metalowe przesuwają się po sobie, tym bardziej się zużywają. Okazało się jednak, że przy bardzo dużych prędkościach, porównywalnych z prędkością pocisku wystrzeliwanego pistoletu, proces ten ulega odwróceniu. Szybszy ruch powierzchni prowadzi do ich wolniejszego zużycia.
Gdy dwie metalowe powierzchnie ześlizgują się po sobie, zachodzi wiele złożonych procesów. Krystaliczne regiony, z których zbudowane są metale, mogą ulegać deformacjom, pęknięciom, mogą skręcić się czy nawet zlać. Występuje tarcie i niszczenie powierzchni. Ten niepożądany proces powoduje, że urządzenia się zużywają oraz ulegają awariom. Dlatego też ważne jest, byśmy lepiej zrozumieli zachodzące wówczas procesy. Podczas badań nad tym zjawiskiem naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) i Austriackiego Centrum Doskonałości Tribologii dokonali zaskakującego, sprzecznego z intuicją odkrycia.
W przeszłości tarcie mogliśmy badać tylko w czasie eksperymentów. W ostatnich latach dysponujemy superkomputerami na tyle potężnymi, że możemy w skali atomowej modelować bardzo złożone procesy zachodzące na powierzchniach materiałów, mówi Stefan Eder z TU Wien. Naukowcy modelowali różne rodzaje metalowych stopów. Nie były to doskonałe kryształy, ale powierzchnie bliskie rzeczywistości, złożone niedoskonałe struktury krystaliczne. To bardzo ważne, gdyż te wszystkie niedoskonałości decydują o tarciu i zużywaniu się powierzchni. Gdybyśmy symulowali doskonałe powierzchnie miałoby to niewiele wspólnego z rzeczywistością, dodaje Eder.
Z badań wynika, że przy dość niskich prędkościach, rzędu 10-20 metrów na sekundę, zużycie materiału jest niewielkie. Zmienia się tylko zewnętrzna jego warstwa, warstwy głębiej położone pozostają nietknięte. Przy prędkości 80–100 m/s zużycie materiału, jak można się tego spodziewać, wzrasta. Stopniowo wchodzimy tutaj w taki zakres, gdzie metal zaczyna zachowywać się jak miód czy masło orzechowe, wyjaśnia Eder. Głębiej położone warstwy materiału są ciągnięte w kierunku ruchu metalu przesuwającego się po powierzchni, dochodzi do całkowitej reorganizacji mikrostruktury.
Później zaś na badaczy czekała olbrzymia niespodzianka. Przy prędkości ponad 300 m/s zużycie ocierających się o siebie materiałów spada. Mikrostruktury znajdujące się bezpośrednio pod powierzchnią, które przy średnich prędkościach były całkowicie niszczone, pozostają w większości nietknięte. To zaskakujące dla nas i wszystkich zajmujących się tribologią. Jednak gdy przejrzeliśmy literaturę fachową okazało się, że obserwowano to zjawisko podczas eksperymentów. Jednak nie jest ono powszechnie znane, gdyż eksperymentalnie bardzo rzadko uzyskuje się tak duże prędkości, dodaje Eder. Wcześniejsi eksperymentatorzy nie potrafili wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje. Dopiero teraz, dzięki symulacjom komputerowym, można pokusić się o bardziej dokładny opis.
Analiza danych komputerowych wykazała, że przy bardzo wysokich prędkościach w wyniku tarcia pojawia się duża ilość ciepła. Jednak ciepło to jest nierównomiernie rozłożone. Gdy dwa metale przesuwają się po sobie z prędkością setek metrów na sekundę, w niektórych miejscach rozgrzewają się do tysięcy stopni Celsjusza. Jednak pomiędzy tymi wysokotemperaturowymi łatami znajdują się znacznie chłodniejsze obszary. W wyniku tego niewielkie części powierzchni topią się i w ułamku sekundy ponownie krystalizują. Dochodzi więc do dramatycznych zmian w zewnętrznej warstwie metalu, ale to właśnie te zmiany chronią głębsze warstwy. Głębiej położone struktury krystaliczne pozostają nietknięte.
Zjawisko to, o którym w środowisku specjalistów niewiele wiadomo, zachodzi w przypadku różnych materiałów. W przyszłości trzeba będzie zbadać, czy ma ono również miejsce przy przejściu z dużych do ekstremalnych prędkości, stwierdza Eder. Bardzo szybkie przesuwanie się powierzchni metalicznych względem siebie ma miejsce np. w łożyskach czy systemach napędowych samochodów elektrycznych czy też podczas polerowania powierzchni.
Szczegóły badań zostały opublikowane na łamach Applied Materials Today.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.