Содержание
Взрыв капли воды породил новое состояние материи во Вселенной
Ученым удалось очень сильно сжать каплю воды между двумя алмазами, а затем и взорвать ее с помощью одного из самых мощных лазеров в мире. Высвободившаяся температура была сопоставима со звездной. Результатом эксперимента стало новое и загадочное состояние материи. Эта странная «черная вода» получила название «суперионный лед» — он существует при тех же давлениях и температурах, что и в центре Земли. Это открытие вскоре может помочь исследователям разгадать секреты, скрытые в ядрах других экзопланет.
Исследователи из Рочестерской лаборатории лазерной энергии создали искусственный суперионный лед, хоть и нестабильный. Изображение: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
Суперионный лед удавалось создать и раньше. Для его образования использовались ударные волны. Однако получившийся материал был крайне нестабильным и рассыпался через 20 наносекунд.
Новый эксперимент знаменует собой первый случай в истории науки, когда ученым удалось создать стабильный суперионный лед, который держался достаточно долго, чтобы его можно было подробно изучить. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature Physics.
Жидкость, пар и лед являются наиболее распространенными фазами воды. Однако ученым известно 20 фаз водяного льда. Например, у льда фазы VI и VII есть молекулы, которые образуют прямоугольные призмы или кубы соответственно. Лед в фазе XI переворачивается, если он помещен в электрическое поле, а лед XIX является хрупким.
Сверхгорячий, находящийся под высоким давлением, суперионный лед — это XVIII открытая фаза льда, одна из самых странных на сегодняшний день. Его атомы кислорода фиксируются в кристаллической решетке, как в твердом теле. Но атомы водорода, отдавая свои электроны, становятся ионами — атомными ядрами, лишенными своих электронов и, следовательно, положительно заряженными, которые могут свободно протекать сквозь лед, как если бы они были жидкостью.
Более того, «плавающие» атомы водорода блокируют прохождение света сквозь лед, придавая ему черный цвет.
Группа под руководством профессора химии Университета Сассари Пьерфранко Демонтиса впервые предположила существование суперионного льда в 1988 году. А исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии обнаружили первые доказательства этого в 2018 году. Новое состояние льда было получено путем взрыва капли воды ударной волной высокого давления, генерируемой лазером. Однако 20 наносекунд было недостаточно для того, чтобы подробно изучить лед.
Чтобы провести более детальные измерения, геофизикам нужно было создать материал в более стабильной форме. Поэтому они сжали каплю воды алмазной наковальней весом 0,2 карата и взорвали ее лазером. Твердость алмазов позволила наковальне создать давление, которое в 3,5 миллиона раз превышало атмосферное, а лазер нагрел ее до температур, превышающих температуру поверхности Солнца. Затем с помощью устройства для ускорения электронов, называемого синхротроном, команда направила рентгеновские лучи на каплю.
Измеряя интенсивность и углы рентгеновских лучей, рассеиваемых атомами внутри льда, исследователи определили его структуру.
Дальнейшие эксперименты могут помочь ученым лучше понять свойства льда и составить карту условий, при которых в природе встречаются различные его фазы. Исследователи задаются вопросом, погребены ли суперионные льды в ядрах ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, или в замороженных морях спутника Юпитера Европы. Если это так, то льды могут играть ключевую роль в индукции магнитосфер, окружающих эти миры, или далеких экзопланет за пределами нашей Солнечной системы.
вода вода Вселенная наука эксперименты
Горячий лёд по науке : Включи настроение
Москва
9:57
12 декабря 2022
О программе
Персоны
Контакты
Реклама
Анонс
Сталагмит за считаные секунды. Получить горячий лёд вне лаборатории очень легко. Проведём эксперимент в рубрике «Популярная наука».
Связанные теги
Вода
Эксперимент
Лёд
Наука
Температура
02:27
4 октября 2021
Подробнее
Вода на Земле существует в трёх состояниях: жидком, газообразном и твёрдом.
И всем ещё с детства известно, что лёд, будь то небольшой кубик в стакане или огромный айсберг в море, холодный. «Горячий лёд» звучит как парадокс, однако при определённых обстоятельствах такое вполне возможно. Какими необычными свойствами обладает столь привычная для земных обитателей молекула h3O, выясним у нашего гостя.
Василий Шутов, физик, ассистент кафедры управления качеством и сертификации РТУ МИРЭА:
– С точки зрения науки лёд – это вода, находящаяся в твёрдом агрегатном состоянии. Она кристаллизуется при температуре 0 градусов Цельсия, но если взять морскую воду, которая содержит примеси солей, она будет кристаллизоваться уже при 2 градусах.
Эффект горячего льда впервые открыл английский учёный Перси Бриджмен в начале ХХ века. Его опыты показали, что при давлении выше 20 тысяч атмосфер температура воды в твёрдом состоянии составила +76 градусов. Мы, конечно, не можем сжать воду, как это делал учёный в лабораторных условиях, но горячий лёд сделать в состоянии.
Василий Шутов, физик, ассистент кафедры управления качеством и сертификации РТУ МИРЭА:
– Имея уксусную кислоту и соду, мы сможем воспроизвести данный опыт и при идеальных условиях получить горячий лёд. У нас образуется изотермическая реакция и выделяется углекислый газ. Когда смесь перестаёт пузыриться, нам надо выпарить всю жидкость и получить кристаллы ацетата натрия.
В результате кипячения вода и углекислый газ испаряются, а ацетат натрия, температура плавления которого составляет +58 градусов, становится жидким. Охлаждаем смесь до комнатной температуры и, самое главное, добавляем щепотку соли. Раствор мгновенно кристаллизуется и становится очень похожим на лёд, только тёплый.
Поделиться
-
02:58
-
03:58
-
05:39
-
03:16
-
02:49
-
03:36
-
03:06
02:26
Алмазы из сахара
02:43
Анимация в тарелке
02:46
Таинственный эффект Марангони
03:24
Таинственное лозоходство: история профессии и её научные объяснения
02:33
Правильные медновости
02:39
Дайджест: термическая кибератака, город-цветок и невесомый праздничный напиток
03:02
Ледяные облака
02:26
Дайджест: персональный мини-самолёт, подводный мессенджер и новые мини-роботы
03:53
Полезные свойства холодной воды
02:41
Осторожно, горячий чай!
02:42
Дайджест: кувшин для хранения воздуха, диагноз по слезам и дыхание умного дома
02:25
Наука о голограмме
02:28
Горячий вред
02:30
Химический светофор
05:44
«Женим» чай
02:32
Наука о фараоновой змее
02:39
Несгораемый платок
02:23
Нарушаем закон гравитации
02:24
Эффект мыльного пузыря
02:32
Наука о резонансе
02:27
Наука о жидкости из Бордо
02:29
Эффект бумажной пилы
02:43
Торнадо в банке
02:26
Готовим научный коктейль
-
01:03
Звёздная анкета: Сергей Мигицко
Звёздная анкета
03:53 -
02:38
02:43
Доход от облигаций
Полезная экономика
-
05:47
Универсальная копилка
Эксперты
01:45 -
04:10
02:55
Гид по ёлкам
Важно знать
ученых сделали лед горячее кипятка
От нуля до 76 000 миль в час за секунду
Ученые превратили воду в лед за наносекунды, то есть очень, очень быстро.
Впрочем, это не самое интересное. Лед горячее кипятка.
Эксперимент проводился на огромной Z-машине Sandia National Laboratories, которая генерирует температуры выше, чем у Солнца (здесь, на Земле, установлен рекорд), и где исследователи проверяют то, что мы знаем об этих простых ванильных «фазах» из учебников: твердые, жидкость и газ.
«Три фазы воды, какими мы их знаем — холодный лед, жидкость комнатной температуры и горячий пар — на самом деле являются лишь небольшой частью репертуара состояний воды», — сказал исследователь Sandia Дэниел Долан. «Сжатие воды обычно нагревает ее. Но при сильном сжатии плотной воде легче войти в свою твердую фазу [лед], чем поддерживать более энергичную жидкую фазу [воду]».
- Также в Sandia: от нуля до 76 000 миль в час за секунду
Лед странный. Большинство вещей сжимаются при охлаждении, поэтому в твердом состоянии они занимают меньше места, чем в жидком. Но обычный лед, конечно, занимает больше места, чем вода.
Это продемонстрирует простой эксперимент с помещением полной (желательно дешевой) бутылки с водой в морозильную камеру на ночь.
В новом эксперименте, однако, объем «воды резко и прерывисто сократился, что соответствует образованию почти всех известных форм льда, кроме обычного», согласно заявлению Sandia в четверг.
Судя по всему, существует как минимум 11 других типов льда, о которых большинство из нас не знает. Их классифицируют по тому, как они ведут себя при определенных температурах и давлениях. Возможно, вы слышали об одном: температура переохлажденной воды может быть ниже 32 градусов, но она не может быть замерзшей.
Проблема в том, что ученые не знают особенностей всех этих состояний. Отсюда и исследование Sandia.
Долан сказал, что работа «помогает нам понять материалы в экстремальных условиях».
Он был удивлен тем, как быстро замерзла вода. Он полагает, что быстрое сжатие — примерно в 70 000 раз превышающее нормальное атмосферное давление за крошечную долю секунды — вызвало быстрое замерзание.
Когда давление было сброшено, лед растаял.
«Очевидно, практически невозможно удержать воду от замерзания при давлении выше 70 000 атмосфер», — сказал Долан.
Это полезно знать тем, кто пытается разгадать многочисленные тайны воды.
- Почему айсберги плавают?
- h3O или h2,5O? Тайна воды раскрыта
- Как тает лед: раскрыта давняя тайна
- Что делает кубики льда мутными?
Роберт — независимый журналист и писатель в области здравоохранения и науки из Феникса, штат Аризона. Он бывший главный редактор Live Science с более чем 20-летним опытом работы репортером и редактором. Он работал на таких веб-сайтах, как Space.com и Tom’s Guide, а также является участником Medium (открывается в новой вкладке), рассказывая о том, как мы стареем и как оптимизировать разум и тело во времени. Он имеет степень журналиста Университета Гумбольдта в Калифорнии.
Вода сжимается в сильном градиентном электрическом поле
Представление нанопоры в графеновой мембране толщиной в атом, фокусирующей электрическое поле и сжимающей воду внутри поры.
Компьютерное моделирование показало, что сжатая вода блокирует прохождение биомолекул через поры без наличия физических ворот. Авторы и права: Аксиментьев А. и Дж. Уилсон, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн.
Современная цивилизация полагается на несжимаемость воды — это то, что мы считаем само собой разумеющимся. Гидравлические системы используют виртуальную несжимаемость жидкостей, таких как вода или масло, для увеличения механической силы. Бульдозеры, краны и другая тяжелая техника используют физику гидравлики, как и автомобильные тормоза, спринклерные системы пожаротушения, муниципальные системы водоснабжения и канализации. Для сжатия воды требуется чрезвычайное давление. Даже на дне самых глубоких океанов, в двух с половиной милях от поверхности, где давление равно примерно 1000 атмосфер, вода сжимается всего на 5 процентов.
Но теперь ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне предсказали новую физику, управляющую сжатием воды под действием высокоградиентного электрического поля.
Профессор физики Алексей Аксиментьев и его научный сотрудник Джеймс Уилсон обнаружили, что сильное электрическое поле, приложенное к крошечному отверстию в графеновой мембране, сжимает молекулы воды, проходящие через пору, на 3 процента. Прогнозируемое сжатие воды может в конечном итоге оказаться полезным для высокоточной фильтрации биомолекул для биомедицинских исследований.
Эти результаты были опубликованы 26 июня 2018 г. в Physical Review Letters (120, 268101) по предложению редактора. «Теперь, когда мы понимаем, что происходит в компьютерном моделировании, мы можем понять, что вода несжимаема. Теперь, когда мы понимаем, что происходит при воспроизвести это явление в теоретических расчетах».
Под действием слабого электрического поля ДНК протягивается через пору. Фото: Аксиментьев А. и Дж. Уилсон, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн.
Ученые предприняли это исследование, чтобы протестировать новые методы секвенирования ДНК с графеновыми нанопорами. За последние пару лет графеновые нанопоры продемонстрировали огромные перспективы для недорогого секвенирования ДНК. Как это работает, ДНК взвешена в воде, а затем ДНК, вода и ионы вытягиваются электрическим полем через крошечное отверстие в графеновой мембране. Электрическое поле, приложенное к листу графена, притягивает растворенные ионы и любые заряженные частицы — ДНК является отрицательно заряженной частицей. Четыре нуклеооснования ДНК читаются как различия в потоках ионов, которые производит каждое нуклеооснование определенной формы.
Размер отверстия и толщина листа имеют решающее значение для этого метода. Лист графена имеет толщину всего в один атом, диаметр нанопор составляет всего около 3 нанометров или ширину 10 атомов, а молекулы ДНК имеют ширину около 2 нанометров.
В этом исследовании Аксиментьев и Уилсон решили разработать вычислительную модель, которая позволила бы им контролировать скорость транспорта ДНК через графеновую нанопору.
Они знали, что увеличение приложенного электрического поля должно увеличить скорость транспорта во столько же раз, но когда они увеличили поле в десять раз, ДНК полностью заблокировалась от прохождения через отверстие.
Уилсон описывает то, что он увидел в моделировании: «Мы пытались увидеть, изменим ли мы заряд графенового листа, изменит ли это скорость захвата ДНК, как было предсказано. Наши моделирования показали, что ДНК проходит через нанопоры. как и ожидалось при более низких электрических полях, но когда вы прикладываете 1 вольт, ДНК выглядит так, как будто она танцует над нанопорой — как будто она хочет пройти, но по какой-то причине не может
ДНК отталкивается от поры сильным электрическим полем. Авторы и права: Аксиментьев А. и Дж. Уилсон, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн
«Оказывается, градиент электрического поля — это то, что сжимает воду, потому что вода — диэлектрик.
Очень сильное электрическое поле этого не сделает, только поле, которое меняется в пространстве. Заряды на молекуле воды выравниваются с электрическое поле, и заряды, расположенные ближе к месту наибольшего электрического поля, притягиваются сильнее, чем заряды ближе к месту, где электрическое поле слабее».
Аксиментьев добавляет: «Все это работает только потому, что мембрана такая тонкая, а электрическое поле фокусируется там, где находится мембрана, сжимая молекулу воды с обеих сторон. Сжатие всего 3 процента, но это давление на воду… это эквивалентно 100 атмосферам — и давление толкает ДНК назад, так что она не может пройти через нанопору». Уилсон продолжает: «Как только мы выяснили, что на самом деле происходит сжатие воды, мы поговорили с экспериментаторами, работающими с графеновыми нанопорами. … Мы узнали, что это явление, возможно, уже наблюдалось в лаборатории. Очевидно, люди видели его, но не могли объяснить. Эксперименты необходимо будет повторить, чтобы подтвердить нашу теорию».
Аксиментьев заключает: «Изначально мы намеревались использовать эту работу для секвенирования ДНК. Но теперь мы думаем, что сможем использовать ее для идентификации и разделения биомолекул, которые очень похожи, но имеют небольшие различия. Например, у вас может быть много один и тот же белок, но некоторые из них могут нести одну очень маленькую метку — одну посттрансляционную модификацию, — которая изменяет его заряд. Эта разница всего в один электрон будет определять, пройдет ли молекула через нанопору или нет, потому что это функция заряда. потенциально использовать это новое явление сжатия воды для очень точной фильтрации биомолекул».
Дополнительная информация:
Джеймс Уилсон и др., Гидрокомпрессионный вентиль транспорта нанопор, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.268101
Предоставлено
Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн
Цитата :
Вода сжимается в сильном градиентном электрическом поле (2 июля 2018 г.