На головну | Пишіть нам | Пошук по сайту тел (063) 620-06-88 (інші) Укр | Рус | Eng   
Патентний повірений на безоплатній основі надає консультації
  новини  ·  статті  ·  послуги  ·  інформація  ·  питання-відповіді  ·  про Ващука Я.П.  ·  контакти за сайт: 
×
Якщо ви помітили помилку чи похибку, позначте мишкою текст, що включає
помилку (все або частину речення/абзацу), і натисніть Ctrl+Enter, щоб повідомити нам.
×

Застосування результатів новітніх досліджень властивостей води в інноваційних технологічних розробках

2013-02-17
Андрій (Гавріель) Лівшиць

З огляду на те, що останнім часом з'явилося і продовжує з'являтися безліч нових областей застосування води, вивченням її незвичайних властивостей починають займатися все більше вчених і дослідників в самих різних країнах

Практично цей інтерес обумовлений особливим значенням води та водних ресурсів в найбільш важливих для людства сферах життя, особливо у виробництві продуктів харчування і природоохоронних технологіях

Почнемо з того, що вчені з Індії і Італії стверджують, що їм вдалося виявити дві форми рідкої води. Існування цих форм було передбачене теоретично, проте виявити їх експериментально поки нікому не вдавалося.

Чи опубліковані результати в якомусь науковому журналі, не повідомляється. Коротко про роботу пише портал Nature News.

У води спостерігається цілий ряд незвичайних фізичних властивостей. Так, на відміну від більшості інших рідин, щільність води при замерзанні зменшується, а не збільшується.

Максимальну щільність рідка вода має при чотирьох градусах Цельсія. Якби вода була "стандартною" рідиною, то її щільність була б максимальною при нулі градусів Цельсія, безпосередньо перед переходом в тверду фазу.

Особливості води пояснюються наявністю між її молекулами водневих зв'язків. Вони є відносно слабкими, але коли мова йде про великий (точніше, величезному) кількості молекул, вони починають грати істотну роль.

У 1992 році група учених під керівництвом Джина Стенлі (Gene Stanley) з Бостонського університету в Массачусетсі висловила припущення, що при низьких температурах і високому тиску водневі зв'язки можуть забезпечити існування двох форм води.

Перша форма отримала назву рідини низької щільності ("мережа" пов'язаних водневими зв'язками молекул пухка), а друга - рідини високої щільності (частина водневих зв'язків розривається, і молекули води "стискуються" щільніше).
Між двома формами води можливі фазові переходи, подібні переходам між твердою і рідкою фазами. Теорія Стенлі і колег пояснювала особливості води саме конкуренцією між двома формами.

Свої висновки група зробила тільки на підставі комп'ютерної моделі, без експериментального підтвердження. Однією з труднощів, що перешкоджають проведенню дослідів, була неможливість зберегти воду в рідкому стані при потрібній температурі - нижче -75 градусів Цельсія. Автори нової роботи вирішили "замкнути" рідку воду в осередки з льоду.

За допомогою технології електронного парамагнітного резонансу вчені вивчали рухливість молекул води в крихітних крижаних осередках при температурі близько -183 градусів Цельсія.

Дослідники спостерігали за переміщеннями спеціального зонду, поміщеного в осередки і не здатного проникати в крижані стінки. "Щільна" фаза води є більш в'язкою, відповідно рух зонда в ній повинно сповільнюватися. У "пухкої" фазі він повинен переміщатися швидше.

За результатами експериментів учені зробили висновок, що при температурах від -140 до 0 градусів Цельсія в осередках присутні обидві фази води. При зміні температури співвідношення "щільної" і "рихлої" води змінюється.

З висновками нової роботи згодні не всі фахівці. На думку деяких з них, наведених експериментальних даних недостатньо для однозначного твердження, що в осередках присутні саме вода в різних фазах.

Також існує думка, що помічені авторами зміни в русі зонда пояснюються тим, що при замерзанні вода вивільняє в осередки містилися в ній домішки (аналогічно тому, як при випаровуванні морської води залишається сіль).

Зовсім недавно з'явилася робота, автори якої вивчали нові форми твердої води - льоду. Вони змогли отримати його новий тип, який називається XV (п'ятнадцятий з вже відомих).

Тепер від досліджень постараємося перейти до винаходів, побудованим на базі результатів досліджень

Увага багатьох винахідників звернено до області виробництва паливних емульсій, наприклад на базі дизельного палива і води

Для того, що б використовувати таку паливну емульсію в сучасному дизельному двигуні вкрай необхідно змоделювати поведінку води в емульсії під впливом тиску в 2000 атмосфер і більше, яке має місце при упорскуванні в такому сучасному дизельному двигуні

Комп'ютерну модель поведінки води, що знаходиться в емульсії у вигляді крапель розміром в 120 нанометрів і менше, побудувати на базі класичних знань про природу води стає все важче і потрібні все нові і нові дослідження

Вчені провели моделювання поведінки водневих зв'язків у воді і встановили, що незважаючи на нещодавно виявлені флуктуації, її структура може як і раніше вважатися тетраедричних.

Робота опублікована в журналі Nature Communication, а її короткий зміст наводить сайт університету Йоганна Гутенберга в Майнці.

Тетраедричних локальна структура води була запропонована більш 100 років тому. Вона має на увазі зв'язок кожної з молекул рідини з чотирма іншими, при цьому дві водневі зв'язки є акцепторними (тобто молекула приймає електрони), а дві - донорними.

Ці чотири зв'язку утворюють практично правильний тетраедр, в центрі якого знаходиться молекула H2O.

У 2004 році міжнародна група вчених опублікована в журналі Science статтю, в якій піддала таку модель сумніву. Висновки дослідників були засновані на аналізі води в рентгенівському діапазоні, які показали наявність лише двох водневих зв'язків замість чотирьох.

У новій роботі вчені провели комп'ютерне моделювання поведінки водневих зв'язків і виявили флуктуацію в їх інтенсивності. У середньому кожна молекула утворювала по дві акцепторні і дві донорні зв'язку, але їх сила в кожен момент часу була різною. Коливання виникали c характерним часом близько 100-200 фемтосекунд (10-15 секунд). що, за словами авторів, пояснює попередні результати рентгенівського аналізу.

Водневі зв'язки пояснюють багато унікальні властивості води, наприклад її високу температуру кипіння. Вони також вкрай важливі для біополімерів і забезпечують підтримання їх структури. Крім води, серед простих речовин водневі зв'язки утворюють нізкоатомние спирти, аміак, фтороводень.

На нанометрових відстанях у води з'являються властивості, які не можна пояснити інакше, як із залученням квантової механіки. Такий висновок був зроблений вченими за підсумками серії експериментів.

Стаття дослідників поки не опублікована в рецензованому науковому журналі, але її препринт доступний на сайті arXiv.org. Коротко про роботу пише портал Physics World.

Вода має низку властивостей, які роблять цю рідину унікальною. Зокрема, H2O володіє максимальною щільністю при температурі плюс чотири градуси Цельсія. Завдяки цій особливості земні водойми замерзають не знизу вгору, а зверху вниз, і в них в холодну пору року можуть мешкати живі істоти.

Багато незвичайні характеристики води пояснюються тим, що її молекули пов'язані між собою особливим типом нековалентних зв'язків, що отримав назву водневого зв'язку.

Такі зв'язки утворюються між атомом водню, який пов'язаний з так званим електронегативний атомом (у випадку води - з киснем), та іншим електронегативний атомом, що знаходяться в тій же або сусідній молекулі.

Автори нової роботи перевіряли, наскільки добре модель, що описує властивості води тільки з опорою на водневі зв'язки (так звана електростатична модель), узгоджується з даними експериментів.

Вчені відстежували такий параметр як розподіл протонів у молекулах води за рівнями кінетичної енергії. Дослідники "заганяли" молекули H2O у вуглецеві нанотрубки діаметром 1,6 нанометра, і піддавали систему впливу високоенергетичних нейтронів, які виробляв джерело ISIS з лабораторії Резерфорда-Епплтон в Оксфордширі, Великобританія.

Через те, що нейтрони мали дуже високу енергію, вони встигали відбитися від зустрінутих на шляху протонів до того, як останні встигали провзаємодіяти з оточуючими їх частками.

Таким чином, аналізуючи дані про розсіянні нейтронів після проходження крізь зразок, вчені отримували інформацію про нативному розподілі протонів по енергіях.

Виявилося, що енергія сильно залежить від температури: її середнє значення було на 50 відсотків більше передбаченого електростатичної моделлю при низьких температурах, і на 20 відсотків - при кімнатній температурі. Усередині нанотрубок з діаметром 1,4 нанометра середня енергія протонів виявилася на 30 відсотків нижчою, ніж у води, не вміщеній в обмежений простір.

Також дослідники перевірили, як будуть розподілятися по енергіях протони у воді, вміщеній в особливий мембранний матеріал Nafion, який використовується для виробництва паливних елементів. Вчені показали, що середня енергія була на 30 відсотків вище, ніж у води в "звичайному" стані.

Автори нової роботи вважають, що, коли молекули води знаходяться на дуже близькій відстані один від одного і "здавлені" через маленького обсягу доступного простору, протони в них переходять у поки не описане фізиками квантовий стан.

Вчені відзначають, що квантово-механічні властивості води можуть визначати її "поведінку" в живих клітинах, так як там відстань між молекулами приблизно відповідає тому відстані, на якій вони перебували в експерименті.

Так як для мільйонів систем промислового кондиціювання в системах і структурах теплообміну застосовується в основному вода, то дослідження в цій області і висновки та результати досліджень і експериментів практично підштовхують винахідників до активного творчого процесу

Так вчені показали, що шар пара, який оберігає від миттєвого википання краплі води на розпеченій сковорідці, можна створити і при набагато нижчій температурі. Робота фізиків опублікована в журналі Nature, а її короткий зміст наводить Nature News.

Явище, завдяки якому краплі води на розпеченій сковорідці катаються, немов кульки ртуті, а не випаровуються миттєво, фізики називають ефектом Лейденфроста. Випаровування при цьому відбувається без бульбашок - тільки на кордоні тіл, а не в об'ємі рідини.

Це відбувається тому, що під час контакту рідини з тілом, нагрітим до певної температури, між ними утворюється шар пара, сильно перешкоджає теплообміну.
Така температура називається точкою Лейденфроста. Для води вона становить зазвичай трохи менше 200 градуса Цельсія.

При падінні температури нагрітого тіла нижче цієї точки, шар пара зникає, рідина приходить в безпосередній контакт з твердою поверхнею і швидкість теплообміну різко збільшується. При цьому відбувається вибуховий скипання у всьому об'ємі рідини.

У ході дослідження автори нагрівали металеві сфери, опускали їх у воду і записували відбуваються процеси на відео. При цьому деяким сферам надавали водовідштовхувальні властивості за допомогою нанесення мікротекстур і хімічних покриттів.
Вчені показали, що якщо додати поверхні твердого тіла сильні водовідштовхувальні властивості, то точку Лейденфроста можна знизити до температури кипіння рідини. У такому випадку кипіння відбувається без утворення пухирців.

Теоретично можлива стабілізація шару пара на кордоні рідини навіть нижче температури кипіння.

Цього, однак, авторам поки не вдалося продемонструвати. Якщо їх дослідження увінчаються успіхом, то подібні гідрофобні поверхні можна буде застосувати в кораблебудуванні. Стабілізований шар пара між корпусом судна і водою може різко знизити тертя і енерговитрати на перевезення.

Раніше інша група інженерів також показала, що надання межі фаз особливої текстури сильно впливає на її теплопровідність. Тоді перед дослідниками стояла зворотна задача - не зменшення, а збільшення енергообміну.

Застосування води та водних розчинів в різних технологічних процесах, особливо в нано-технологіях також вимагає поглиблення знань про її невідомих властивостях і особливо знань про комбінаторних і інтегративних властивостях води, як кажуть на стику технологій

Фізики виявили, що оброблений водою порошковий графіт при кімнатній температурі володіє деякими властивостями, характерними для надпровідників.

Робота вчених опублікована в журналі Applied Materials (препринт), а її короткий зміст наводить блог видання Technology Review.

Незвичайні електричні властивості у графіту вдалося виявити після наступної процедури.

Тонкий порошок вуглецю, що містить гранули діаметром не більше декількох десятків нанометрів, наполягали у воді протягом 24 годин, фільтрували і висушували при температурі 100 градусів протягом ночі.

Потім у порошку вимірювали різні параметри магнітного моменту при різних температурах.

Виявилося, що оброблений таким чином графіт демонструє різкі фазові переходи магнітного моменту, характерні для відомих високотемпературних надпровідників.

Причому ці властивості він проявляє в кімнатних умовах (300K або 27 градусів Цельсія), при температурі на десятки градусів вище, ніж самі високотемпературні з надпровідників.

Автори, проте, дуже обережні у своїх висновках (вони, всупереч традиції, не стали навіть публікувати препринт роботи до закінчення процесу рецензування).

По-перше, вчені вказують, що електричні ефекти спостерігаються тільки на поверхні гранул і зачіпають не більше мільйонної частки атомів вуглецю.

По-друге, ефект вельми нестійкий - при м'ятті частинок вони втрачають свої незвичайні властивості.

По-третє, і це найголовніше, автори підкреслюють, що з трьох критеріїв надпровідності ними доведено наявність тільки фазового переходу у магнітного моменту.

Ні відсутність опору в матеріалі, ні виштовхування їм магнітного поля (ефект Мейсснера) автори поки не показали.
Фізики вважають, що поверхнева надпровідність в графіті може бути пов'язана з нещодавно встановленим впливом води на відомі надпровідники.

Дослідники, які встановили цей ефект, привернули увагу ЗМІ тим, що обробляли свої зразки не лише водою, але і різними напоями: пивом, саке та вином різних марок.

Фізики вважають, що в обох випадках на електричні властивості матеріалів чинить вплив допірованіе поверхні атомами водню.

корисний матеріал? Натисніть:




інші статті...
© Ярослав Ващук, 2003-2011
при використанні будь-яких матеріалів сайту посилання на джерело обов'язкове
[pageinfo]
сайты Хмельницкого bigmir)net TOP 100