На главную | Пишите нам | Поиск по сайту тел (063) 620-06-88 (другие) Укр | Рус | Eng   
Сила интеллекта не в том, чтобы все знать, а в том чтобы знать, где в данный момент можно найти необходимую информацию
  новости  ·  статьи  ·  услуги  ·  информация  ·  вопросы-ответы  ·  о Ващуке Я.П.  ·  контакты за сайт: 
×
Если вы заметили ошибку или опечатку, выделите мышкой текст, включающий
ошибку (всё или часть предложения/абзаца), и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.
×

Применение результатов новейших исследований свойств воды в инновационных технологических разработках

2013-02-17
Андрей( Гавриэль ) Лившиц

Ввиду того , что в последнее время появилось и продолжает появляться множество новых областей применения воды , изучением её необычных свойств начинают заниматься всё больше учёных и исследователей в самых разных странах

Практически этот интерес обусловлен особым значением воды и водных ресурсов в наиболее важных для человечества сферах жизни, особенно в производстве продуктов питания и природоохранных технологиях

Начнём с того , что ученые из Индии и Италии утверждают, что им удалось обнаружить две формы жидкой воды. Существование этих форм было предсказано теоретически, однако обнаружить их экспериментально пока никому не удавалось. Опубликованы ли результаты в каком-либо научном журнале, не сообщается. Коротко о работе пишет портал Nature News.

У воды наблюдается целый ряд необычных физических свойств. Так, в отличие от большинства других жидкостей, плотность воды при замерзании уменьшается, а не увеличивается.

Максимальную плотность жидкая вода имеет при четырех градусах Цельсия. Если бы вода была "стандартной" жидкостью, то ее плотность была бы максимальной при нуле градусов Цельсия, непосредственно перед переходом в твердую фазу.

Особенности воды объясняются наличием между ее молекулами водородных связей. Они являются относительно слабыми, но когда речь идет о большом (точнее, огромном) количестве молекул, они начинают играть существенную роль.

В 1992 году группа ученых под руководством Джина Стэнли (Gene Stanley) из Бостонского университета в Массачусетсе высказала предположение, что при низких температурах и высоком давлении водородные связи могут обеспечить существование двух форм воды.

Первая форма получила название жидкости низкой плотности ("сеть" связанных водородными связями молекул рыхлая), а вторая - жидкости высокой плотности (часть водородных связей разрывается, и молекулы воды "сжимаются" плотнее).

Между двумя формами воды возможны фазовые переходы, подобные переходам между твердой и жидкой фазами. Теория Стэнли и коллег объясняла особенности воды именно конкуренцией между двумя формами.

Свои выводы группа сделала только на основании компьютерной модели, без экспериментального подтверждения. Одной из трудностей, препятствующих проведению опытов, была невозможность сохранить воду в жидком состоянии при нужной температуре - ниже -75 градусов Цельсия. Авторы новой работы решили "запереть" жидкую воду в ячейки из льда.

При помощи технологии электронного парамагнитного резонанса ученые изучали подвижность молекул воды в крошечных ледяных ячейках при температуре около -183 градусов Цельсия.

Исследователи наблюдали за перемещениями специального зонда, помещенного в ячейки и не способного проникать в ледяные стенки. "Плотная" фаза воды является более вязкой, соответственно движение зонда в ней должно замедляться. В "рыхлой" фазе он должен перемещаться быстрее.

По результатам экспериментов ученые заключили, что при температурах от -140 до 0 градусов Цельсия в ячейках присутствуют обе фазы воды. При изменении температуры соотношение "плотной" и "рыхлой" воды изменяется.

С выводами новой работы согласны не все специалисты. По мнению некоторых из них, приведенных экспериментальных данных недостаточно для однозначного утверждения, что в ячейках присутствуют именно вода в разных фазах.

Также существует мнение, что замеченные авторами изменения в движении зонда объясняются тем, что при замерзании вода высвобождает в ячейки содержавшиеся в ней примеси (аналогично тому, как при испарении морской воды остается соль).

Совсем недавно появилась работа, авторы которой изучали новые формы твердой воды - льда. Они смогли получить его новый тип, который называется XV (пятнадцатый из уже известных).

Теперь от исследований постараемся перейти к изобретениям, построенным на базе результатов исследований

Внимание многих изобретателей обращено к области производства топливных эмульсий , например на базе дизельного топлива и воды

Для того , что бы использовать такую топливную эмульсию в современном дизельном двигателе крайне необходимо смоделировать поведение воды в эмульсии под воздействием давления в 2000 атмосфер и больше, которое имеет место при впрыске в таком современном дизельном двигателе

Компьютерную модель поведения воды, находящейся в эмульсии в виде капель размером в 120 нанометров и меньше, построить на базе классических знаний о природе воды становится всё труднее и требуются всё новые и новые исследования

Ученые провели моделирование поведения водородных связей в воде и установили, что несмотря на недавно обнаруженные флуктуации, ее структура может по-прежнему считаться тетраэдрической. Работа опубликована в журнале Nature Communication, а ее краткое содержание приводит сайт университета Иоганна Гутенберга в Майнце.

Тетраэдрическая локальная структура воды была предложена более 100 лет назад. Она подразумевает связь каждой из молекул жидкости с четырьмя другими, при этом две водородные связи являются акцепторными (то есть молекула принимает электроны ), а две - донорными.

Эти четыре связи образуют практически правильный тетраэдр, в центре которого находится молекула H2O.

В 2004 году международная группа ученых опубликована в журнале Science статью, в которой подвергла такую модель сомнению. Выводы исследователей были основаны на анализе воды в рентгеновском диапазоне, которые показали наличие только двух водородных связей вместо четырех.

В новой работе ученые провели компьютерное моделирование поведения водородных связей и обнаружили флуктуацию в их интенсивности. В среднем каждая молекула образовывала по две акцепторные и две донорные связи, но их сила в каждый момент времени была разной. Колебания возникали c характерным временем около 100-200 фемтосекунд (10-15 секунд). что, по словам авторов, объясняет предыдущие результаты рентгеновского анализа.

Водородные связи объясняют многие уникальные свойства воды, например ее высокую температуру кипения. Они также крайне важны для биополимеров и обеспечивают поддержание их структуры. Помимо воды, среди простых веществ водородные связи образуют низкоатомные спирты, аммиак, фтороводород.

На нанометровых расстояниях у воды появляются свойства, которые нельзя объяснить иначе, как с привлечением квантовой механики. Такой вывод был сделан учеными по итогам серии экспериментов.

Статья исследователей пока не опубликована в рецензируемом научном журнале, но ее препринт доступен на сайте arXiv.org. Коротко о работе пишет портал Physics World.

Вода обладает рядом свойств, которые делают эту жидкость уникальной. В частности, H2O обладает максимальной плотностью при температуре плюс четыре градуса Цельсия. Благодаря этой особенности земные водоемы замерзают не снизу вверх, а сверху вниз, и в них в холодное время года могут обитать живые существа.

Многие необычные характеристики воды объясняются тем, что ее молекулы связаны между собой особым типом нековалентных связей, получившем название водородной связи.

Такие связи образуются между атомом водорода, который связан с так называемым электроотрицательным атомом (в случае воды - с кислородом), и другим электроотрицательным атомом, находящимся в той же или соседней молекуле.

Авторы новой работы проверяли, насколько хорошо модель, описывающая свойства воды только с опорой на водородные связи (так называемая электростатическая модель), согласуется с данными экспериментов.

Ученые отслеживали такой параметр как распределение протонов в молекулах воды по уровням кинетической энергии. Исследователи "загоняли" молекулы H2O в углеродные нанотрубки диаметром 1,6 нанометра, и подвергали систему воздействию высокоэнергетичных нейтронов, которые производил источник ISIS из лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Оксфордшире, Великобритания.

Из-за того, что нейтроны обладали очень высокой энергией, они успевали отразиться от встреченных на пути протонов до того, как последние успевали провзаимодействовать с окружающими их частицами.

Таким образом, анализируя данные о рассеянии нейтронов после прохождения сквозь образец, ученые получали информацию о нативном распределении протонов по энергиям.

Оказалось, что энергия сильно зависит от температуры: ее среднее значение было на 50 процентов больше предсказанного электростатической моделью при низких температурах, и на 20 процентов - при комнатной температуре. Внутри нанотрубок с диаметром 1,4 нанометра средняя энергия протонов оказалась на 30 процентов ниже, чем у воды, не помещенной в ограниченное пространство.

Также исследователи проверили, как будут распределяться по энергиям протоны в воде, помещенной в особый мембранный материал Nafion, который используется для производства топливных элементов. Ученые показали, что средняя энергия была на 30 процентов выше, чем у воды в "обычном" состоянии.

Авторы новой работы полагают, что, когда молекулы воды находятся на очень близком расстоянии друг от друга и "сдавлены" из-за маленького объема доступного пространства, протоны в них переходят в пока не описанное физиками квантовое состояние.

Ученые отмечают, что квантово-механические свойства воды могут определять ее "поведение" в живых клетках, так как там расстояние между молекулами примерно соответствует тому расстоянию, на котором они находились в эксперименте.

Так как для миллионов систем промышленного кондиционирования в системах и структурах теплообмена применяется в основном вода , то исследования в этой области и выводы и результаты исследований и экспериментов практически подталкивают изобретателей к активному творческому процессу

Так ученые показали, что слой пара, который предохраняет от мгновенного выкипания капли воды на раскаленной сковородке, можно создать и при гораздо более низкой температуре. Работа физиков опубликована в журнале Nature, а ее краткое содержание приводит Nature News.

Явление, благодаря которому капли воды на раскаленной сковородке катаются, словно шарики ртути, а не испаряются мгновенно, физики называют эффектом Лейденфроста. Испарение при этом происходит без пузырьков - только на границе тел, а не в объеме жидкости.

Это происходит потому, что во время контакта жидкости с телом, нагретым до определенной температуры, между ними образуется слой пара, сильно препятствующий теплообмену.

Такая температура называется точкой Лейденфроста. Для воды она составляет обычно чуть менее 200 градуса Цельсия.

При падении температуры нагретого тела ниже этой точки, слой пара исчезает, жидкость приходит в непосредственный контакт с твердой поверхностью и скорость теплообмена резко увеличивается. При этом происходит взрывное вскипание во всем объеме жидкости.

В ходе исследования авторы нагревали металлические сферы, опускали их в воду и записывали происходящие процессы на видео. При этом некоторым сферам придавали водоотталкивающие свойства с помощью нанесения микротекстуры и химических покрытий.

Ученые показали, что если придать поверхности твердого тела сильные водоотталкивающие свойства, то точку Лейденфроста можно понизить до температуры кипения жидкости. В таком случае кипение происходит без образования пузырьков.

Теоретически возможна стабилизация слоя пара на границе жидкости даже ниже температуры кипения.

Этого, однако, авторам пока не удалось продемонстрировать. Если их исследования увенчаются успехом, то подобные гидрофобные поверхности можно будет применить в кораблестроении. Стабилизированный слой пара между корпусом судна и водой может резко снизить трение и энергозатраты на перевозку.

Ранее другая группа инженеров также показала, что придание границе фаз особой текстуры сильно влияет на ее теплопроводность. Тогда перед исследователями стояла обратная задача - не уменьшения, а увеличения энергообмена.

Применение воды и водных растворов в различных технологических процессах , особенно в нано-технологиях также требует углубления знаний о её неизвестных свойствах и особенно знаний о комбинаторных и интегративных свойствах воды , как говорят на стыке технологий

Физики обнаружили, что обработанный водой порошковый графит при комнатной температуре обладает некоторыми свойствами, характерными для сверхпроводников.

Работа ученых опубликована в журнале Applied Materials (препринт), а ее краткое содержание приводит блог издания Technology Review.

Необычные электрические свойства у графита удалось обнаружить после следующей процедуры.

Тонкий порошок углерода, содержащий гранулы диаметром не более нескольких десятков нанометров, настаивали в воде в течение 24 часов, фильтровали и высушивали при температуре 100 градусов в течение ночи. Затем у порошка измеряли различные параметры магнитного момента при разных температурах.

Оказалось, что обработанный таким образом графит демонстрирует резкие фазовые переходы магнитного момента, характерные для известных высокотемпературных сверхпроводников.

Причем эти свойства он проявляет в комнатных условиях (300K или 27 градусов Цельсия), при температуре на десятки градусов выше, чем самые высокотемпературные из сверхпроводников.

Авторы, однако, весьма осторожны в своих выводах (они, вопреки традиции, не стали даже публиковать препринт работы до окончания процесса рецензирования). Во-первых, ученые указывают, что электрические эффекты наблюдаются только на поверхности гранул и затрагивают не более миллионной доли атомов углерода.

Во-вторых, эффект весьма нестоек - при сминании частиц они теряют свои необычные свойства.

В-третьих, и это самое главное, авторы подчеркивают, что из трех критериев сверхпроводимости ими доказано наличие только фазового перехода у магнитного момента.

Ни отсутствие сопротивления в материале, ни выталкивание им магнитного поля (эффект Мейсснера) авторы пока не показали.

Физики считают, что поверхностная сверхпроводимость в графите может быть связана с недавно установленным влиянием воды на известные сверхпроводники.

Исследователи, установившие этот эффект, привлекли внимание СМИ тем, что обрабатывали свои образцы не только водой, но и различными напитками: пивом, саке и вином различных марок.

Физики полагают, что в обоих случаях на электрические свойства материалов оказывает воздействие допирование поверхности атомами водорода.

полезный материал? Нажмите:




другие статьи...
© Ярослав Ващук, 2003-2011
при использовании любых материалов сайта ссылка на источник обязательна
[pageinfo]
сайты Хмельницкого bigmir)net TOP 100