كيفية الحصول على الثلج بدرجة حرارة + 151 درجة مئوية

هيكل نانو رباعي الزوايا وخماسي وسداسي داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار. تتوافق الكرات الزرقاء والحمراء مع ذرات الأكسجين والهيدروجين. المصدر: نتائج المحاكاة لعام 2008.

الخواص غير العادية للمياه كانت موضوع تدقيق العلماء. قبل عشر سنوات ، اتضح أنه داخل الأنابيب النانوية التي يبلغ قطرها أقل من 2.5 نانومتر ، لا يتجمد الماء ، ولكنه يستمر في التدفق حتى في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (3273.15 ° C). الشذوذ لا ينتهي عند هذا الحد.

من الواضح أن التحولات الطورية للماء مع تغير حالة التجميع داخل الأنابيب النانوية الكربونية لا تتناسب مع النظرية القياسية للديناميكا الحرارية. هذا لا ينطبق فقط على نقطة التجمد ، ولكن أيضًا على نقطة الغليان. كما هو معروف ، عند الضغط الجوي العادي ، تكون درجة غليان الماء حوالي 100 درجة مئوية. مع زيادة الضغط في الخزان ، تزداد درجة حرارة الغليان - يتم استخدام هذا المبدأ من قبل قدر الضغط لطهي الطعام بشكل أسرع. على العكس من ذلك ، يمكن تقليل درجة غليان الماء عن طريق تقليل الضغط. على سبيل المثال ، في الجبال على ارتفاع 5 كم ، من المستحيل طهي بعض المنتجات ، لأن درجة غليان الماء هي 83 درجة مئوية فقط بسبب انخفاض الضغط الجوي.

يعرف العلماء أيضًا أن درجة حرارة التحولات الطورية للماء تعتمد أيضًا على شكل الوعاء وحجمه. إذا ظل الضغط ثابتًا ، يمكن تغيير نقطة الغليان أو نقطة التجمد بنحو 10 درجات مئوية باستخدام حجم الوعاء. ولكن في الأنابيب النانوية الكربونية ، تنقلب الأشياء رأساً على عقب. كما ذكرنا سابقًا ، يحتفظ الماء بحالة سائلة هناك عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. الآن درس علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتفصيل ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام - الانتقال الطوري إلى الحالة الصلبة (الأنابيب النانوية الجليدية) في درجة حرارة عالية ، عندما يجب أن يتبخر الماء في الظروف العادية.

تم اكتشاف هذه الظاهرة في عام 2001.مجموعة من العلماء اليابانيين والأمريكيين. تعتبر الأنابيب النانوية الجليدية ذات أهمية خاصة لأنها تتشكل في درجات حرارة عالية ويمكن استخدامها في أجهزة نانوية إلكترونية مختلفة ، بما في ذلك توربينات النانو الغازية ، وأجهزة استشعار النانو المتدفقة ، والأغشية العالية التدفق. علاوة على ذلك ، فإن قدرة الماء على التجمد في الأنابيب النانوية الجليدية عند درجات حرارة أعلى بكثير من 0 درجة مئوية تجعل من الممكن استخدام الأنابيب النانوية الجليدية في أنظمة نقل الحرارة . تم الحصول على تأكيدات تجريبية لهذا الاستخدام ، ولكن لم يتم حتى الآن معرفة ودراسة الأحجام والمعلمات الدقيقة للأنابيب النانوية الكربونية ، الضرورية لتصلب الماء في درجة حرارة الغرفة وما فوقها.

حتى الآن ، اقتصرت معظم تجارب التحول الطوري للمياه في الأنابيب النانوية الكربونية على محاكاة الديناميكيات الجزيئية على الكمبيوتر ، بدلاً من التجارب الفيزيائية الحقيقية. نتيجة للمحاكاة ، اتضح أن خصائص الماء تعتمد بشدة على قطر أنبوب الكربون النانوي. على سبيل المثال ، في المسام التي يبلغ قطرها 0.8-1.0 نانومتر ، يستقر الماء بشكل جيد في حالة بخار ، وفي مكان ما بين أقطار الأنبوب 1.1 و 1.2 نانومتر ، تظهر المحاكاة استقرارًا في شكل ثلج ، أي في شكل صلب. ثم ، مع زيادة القطر فوق 1.4 نانومتر ، يحدث التثبيت مرة أخرى في شكل سائل. كل هذا مثير للاهتمام للغاية - وبالتالي ، طورت MIT منهجية للتجارب الفيزيائية لاختبار خصائص الماء في الأنابيب النانوية الكربونية بقطر 1.05 إلى 1.52 نانومتر مع جدران مفردة ومزدوجة.طور مؤلفو التجربة أيضًا تقنية لرصد المياه في الأنابيب النانوية باستخدام مطيافية رامان (الاهتزازات الشعاعية ، RBM).


إعداد تجريبي لزراعة الأنابيب النانوية وتعبئتها بالماء (لماذا تمر الأنابيب النانوية الكارهة للماء بداخلها - كما لا يفهم العلماء تمامًا) ؛ نماذج حاسوبية من الأنابيب النانوية أحادية ومزدوجة للتجربة ؛

أظهرت نتائج التحليل الطيفي لرامان أنه عند أقطار معينة من الأنابيب النانوية ، يذهب الماء إلى حالة صلبة من التجمع عند درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية. الحد الأقصى لدرجة حرارة الانتقال المرحلة المسجلة من 105 درجة مئوية إلى 151 درجة مئوية (لم يكن من الممكن القياس بدقة أكبر) مع قطر أنبوب نانوي أحادي الجدار يبلغ 1.05 نانومتر. هذا أعلى بكثير مما توقعته النظرية.. في بعض الحالات ، كانت نقطة التجمد الفعلية أعلى بنحو 100 درجة مئوية مما توقعته النظرية. أجريت التجارب لأول مرة في ظروف مختبرية حقيقية - كما اتضح ، دون جدوى. لم يتوقع أحد مثل هذا الاختلاف الكبير في خصائص الماء في الأنابيب النانوية التي يبلغ قطرها 1.05 و 1.06 نانومتر.


يشير اللون الأزرق في الرسم البياني إلى الحالة الصلبة للماء ، ويشير اللون الأخضر إلى الحالة السائلة ، ويشير اللون الأحمر إلى الأنابيب النانوية الفارغة (الحالة الجافة)

بعد المرور عبر نقطة التجمد ، خفض العلماء درجة الحرارة وأعادوا الماء إلى حالة سائلة ، مما يثبت انعكاس العملية. في الأنابيب النانوية التي يبلغ قطرها 1.06 نانومتر ، ذاب الجليد عند درجة حرارة 87-117 درجة مئوية ؛ في الأنابيب النانوية 1.44 و 1.52 نانومتر ، تتراوح نقطة التجمد بين 15-49 درجة مئوية و3-30 درجة مئوية على التوالي.

نان الجليد لديه مجموعة مثيرة للاهتمام من الخصائص الكهربائية والحرارية. قد يكون وجود الجليد الذي لا يذوب في درجات حرارة تصل إلى +151 درجة مئوية موضع اهتمام المهندسين والمصممين. في درجة حرارة الغرفة ، سيكون هذا الثلج مستقرًا تمامًا ، ويمكن استخدامه كأسلاك في الإلكترونيات والأجهزة الأخرى (الماء هو واحد من أفضل الموصلات البروتونية المعروفة للعلم ) ، والتي لا تسخن حتى +151 درجة مئوية ، وإلا فإن هذا الموصل سيذوب.

تم نشر العمل العلمي في 28 نوفمبر 2016 في مجلة Nature Nanotechnology (doi: 10.1038 / nnano.2016.254 ، pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/ar399679/