Ледът стана още по-студен: Създавайки лед от малки капчици с размери само няколкостотин молекули, изследователи изместиха точката на замръзване на водата по-ниско от всякога и промениха представите за това как се образува ледът.
Познанието как и защо водата се превръща в лед е от съществено значение за разбирането на широк спектър от природни процеси. Колебанията на климата, динамиката на облаците и водният цикъл са повлияни от трансформациите вода-лед, както и животните, които живеят в условия на замръзване.
Дървесните жаби, например, оцеляват през зимата на сушата, като оставят телата си да замръзнат. Това им позволява да излязат от хибернация по-бързо от видовете, които прекарват зимата дълбоко под водата, без да замръзват.
Но ледените кристали могат да разкъсат клетъчните мембрани, така че животните, които използват този начин, трябва да намерят начин да предотвратят образуването на лед в клетките и тъканите си.
По-доброто разбиране на това как замръзва водата може да помогне да се разбере физилогията на тези екстремни видове.
Дървесните жаби в Аляска притежават рекорд за издръжливост на студ, оставайки замразени за близо седем месеца, се казва в проучване, публикувано в Journal of Experimental Biology. Учени от Университета на Аляска, Феърбанкс, откриват, че земноводните са оцелели през всички тези месеци, като са били изстудени до средна температура от -14,6°C, включително температури до -18°C. Кредит: Lorraine Rizzo, Pinterest
Макар основното правило да е, че водата замръзва при 0 градуса по Целзий, водата всъщност може да остане течна в диапазон от температури под нулата при определени условия. Досега се смяташе, че долната граница на този диапазон е минус 38° C - по-ниско от това и водата трябва да замръзне. Но в проучване, публикувано наскоро в списание Nature Communications, изследователите успяват да запазят капчици вода в течно състояние при температури до минус 44° C.
Имаше два важни момента в тяхното постижение: много малки капчици и много мека повърхност. Те започват с капчици, вариращи от 150 нанометра, малко по-големи от грипния вирус, до едва 2 нанометра, група от само 275 водни молекули. Този диапазон от размери на капчиците помогна на изследователите да използват размера в трансформацията от вода в лед.
„Покрихме всички тези диапазони, за да можем да разберем при какви условия ще се образува ледът – каква температура, какъв размер на капчиците“, разказва съавторът на изследването Хади Гасеми (Hadi Ghasemi), професор по машинно инженерство в Университета в Хюстън, пред Live наука. "И по-важното е, че открихме, че ако водните капчици са покрити с някакви меки материали, температурата на замръзване може да бъде намалена до наистина ниски температури."
Мекият материал, който е използвае, е октан, масло, което заобикаля всяка капчица в наномащабните пори на мембрана от анодизиран алуминиев оксид. Това позволява на капчиците да придобият по-закръглена форма с по-голямо налягане, което според изследователите е от съществено значение за предотвратяване образуването на лед при тези ниски температури.
Тъй като по принцип е невъзможно да се наблюдава процесът на замръзване в тези малки мащаби, изследователите използват стойността на електрическата проводимост - тъй като ледът е по-проводим от водата - и светлината, излъчвана в инфрачервения спектър, за да уловят точния момент и температурата, при които капчиците се трансформират от вода до лед.
Те откриват, че колкото по-малка е капката, толкова по-студена трябва да бъде, за да се образува ледът - а за капчици, които са 10 нанометра и по-малки, скоростта на образуване на лед намалява драстично. В най-малките капчици, които са измерили, ледът не се е образувал, докато водата не е достигнала смразяващата минус 44° С.
Кредит: Hakimian, A., Mohebinia, M., Nazari, M. et al. Freezing of few nanometers water droplets. Nat Commun 12, 6973 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27346-w
Означава ли това, че микроскопичните капчици в облаците и биологичните клетки могат да станат дори по-студени, отколкото предполагахме?
„Като учен бих казал, че все още не знаем“, коментира Гасеми.
Но това откритие е много важно например за предотвратяването на образуването на лед върху изкуствени материали, като тези в авиацията и енергийните системи, отбелязва Гасеми. Ако на водата върху меки повърхности й трябва повече време, за да замръзне, инженерите биха могли да включат смесица от меки и твърди материали в своите проекти, за да предпазят от натрупване на лед върху тези повърхности.
„Има толкова много начини, по които можете да се използва това знание, за да се проектират повърхностите, предотвратяващи образуването на лед“, заявява Гасеми. „След като имаме това фундаментално разбиране, следващата стъпка е просто проектиране на тези повърхности въз основа на меки материали.“
Справка: Hakimian, A., Mohebinia, M., Nazari, M. et al. Freezing of few nanometers water droplets. Nat Commun 12, 6973 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27346-w
Източник: Water's ultimate freezing point just got lower, Live Science
Още по темата
Физика
Създадоха кубче лед, което не се топи и не образува плесен (видео)
Физика
Зловещото съвършенство на „дзен камъни“ - баланс върху ледени пиедестали
Животът
Произходът на странните свойства на водата. Първо директно наблюдение на микро ниво
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари