Wie man Eis mit einer Temperatur von + 151 ° C bekommt

Die Struktur einer viereckigen, fünfeckigen und siebeneckigen Nanowelle in einer einwandigen Nanoröhre. Blaue und rote Kugeln entsprechen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Quelle: Simulationsergebnisse 2008. Die

ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser wurden lange Zeit von Wissenschaftlern untersucht. Vor zehn Jahren stellte sich heraus, dass in Nanoröhren mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 nm Wasser nicht gefriert, sondern auch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (–273,15 ° C) weiter fließt . Seltsamkeiten enden hier nicht.

Phasenübergänge von Wasser mit einer Änderung des Aggregationszustands in Kohlenstoffnanoröhren passen eindeutig nicht in die Standardtheorie der Thermodynamik. Dies gilt nicht nur für den Gefrierpunkt, sondern auch für den Siedepunkt. Bekanntlich beträgt der Siedepunkt von Wasser bei normalem atmosphärischen Druck etwa 100 ° C. Mit zunehmendem Druck im Tank steigt die Siedetemperatur - dieses Prinzip wird von Schnellkochtöpfen verwendet, um Lebensmittel schneller zu kochen. Umgekehrt kann der Siedepunkt von Wasser durch Verringern des Drucks verringert werden. In den Bergen in 5 km Höhe ist es beispielsweise unmöglich, einige Produkte zu kochen, da der Siedepunkt von Wasser aufgrund des niedrigen Luftdrucks nur 83 ° C beträgt.

Wissenschaftler wissen auch, dass die Temperatur der Phasenübergänge von Wasser auch von der Form und Größe des Gefäßes abhängt. Wenn der Druck konstant bleibt, kann der Siedepunkt oder Gefrierpunkt unter Verwendung des Gefäßvolumens um etwa 10 ° C verschoben werden. Aber in Kohlenstoffnanoröhren werden die Dinge auf den Kopf gestellt. Wie bereits erwähnt, behält Wasser dort bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einen flüssigen Zustand. Jetzt haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein weiteres interessantes Phänomen im Detail untersucht - einen Phasenübergang in einen festen Zustand (Eisnanoröhren) bei hoher Temperatur, wenn Wasser unter normalen Bedingungen verdampfen sollte.

Dieses Phänomen wurde 2001 entdeckt.eine Gruppe japanischer und amerikanischer Wissenschaftler. Eisnanoröhren sind von besonderem Interesse, da sie sich bei hohen Temperaturen bilden und in verschiedenen elektronischen Nanogeräten verwendet werden können, einschließlich Gasnanoturbinen , Strömungsnanosensoren und Hochflussmembranen. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit von Wasser, bei Temperaturen weit über 0 ° C zu Eisnanoröhren zu gefrieren, die Verwendung von Eisnanoröhren in Wärmeübertragungssystemen . Experimentelle Bestätigungen dieser Verwendung wurden erhalten, aber die genauen Größen und Parameter von Kohlenstoffnanoröhren, die zur Verfestigung von Wasser bei Raumtemperatur und darüber erforderlich sind, sind noch nicht bekannt und wurden nicht untersucht.

Bisher beschränkten sich die meisten Experimente mit dem Phasenübergang von Wasser in Kohlenstoffnanoröhren eher auf Simulationen der Molekulardynamik auf einem Computer als auf reale physikalische Experimente. Als Ergebnis der Simulation stellte sich heraus, dass die Eigenschaften von Wasser stark vom Durchmesser der Kohlenstoffnanoröhre abhängen. Beispielsweise stabilisiert sich Wasser in Poren mit einem Durchmesser von 0,8 bis 1,0 nm gut in einem Dampfzustand, und irgendwo zwischen den Rohrdurchmessern von 1,1 und 1,2 nm zeigen Simulationen eine Stabilisierung in Form von Eis, dh in fester Form. Dann tritt mit einer Zunahme des Durchmessers über 1,4 nm wieder eine Stabilisierung in flüssiger Form auf. All dies ist sehr interessant - und deshalb hat das MIT eine Methode für physikalische Experimente entwickelt, um die Eigenschaften von Wasser in Kohlenstoffnanoröhren mit einem Durchmesser von 1,05 bis 1,52 nm mit Einzel- und Doppelwänden zu testen.Die Autoren des Experiments entwickelten auch eine Technik zur Überwachung von Wasser in Nanoröhren mittels Raman-Spektroskopie (Radialvibrationen, RBM).


Ein Versuchsaufbau zum Züchten und Füllen von Nanoröhren (warum hydrophobe Nanoröhren Wasser nach innen leiten - Wissenschaftler verstehen das auch nicht ganz); Computermodelle von ein- und zweischichtigen Nanoröhren für Experimente; Ergebnisse der Raman-Spektroskopie

Experimente haben gezeigt, dass Wasser bei bestimmten Durchmessern von Nanoröhren bei Temperaturen über 100 ° C in einen festen Aggregatzustand übergeht. Die maximal aufgezeichnete Phasenübergangstemperatur liegt bei einem einwandigen Nanoröhrchendurchmesser von 1,05 nm zwischen 105 ° C und 151 ° C (eine genauere Messung war nicht möglich). Dies ist viel höher als die vorhergesagte Theorie.. In einigen Fällen war der tatsächliche Gefrierpunkt fast 100 ° C höher als theoretisch vorhergesagt. Die Experimente wurden zunächst unter realen Laborbedingungen durchgeführt - wie sich herausstellte, nicht umsonst. Niemand erwartete einen so großen Unterschied in den Eigenschaften von Wasser in Nanoröhren mit einem Durchmesser von 1,05 und 1,06 nm.


Die blaue Farbe im Diagramm zeigt den festen Zustand des Wassers an, grün zeigt den flüssigen Zustand an, rot zeigt leere Nanoröhren an (trockener Zustand)

Nach dem Durchlaufen des Gefrierpunkts senkten die Wissenschaftler die Temperatur und versetzten das Wasser in einen flüssigen Zustand, was die Reversibilität des Prozesses beweist. In Nanoröhren mit einem Durchmesser von 1,06 nm schmolz das Eis bei einer Temperatur von 87–117 ° C, in Nanoröhren von 1,44 und 1,52 nm liegt der Gefrierpunkt zwischen 15–49 ° C und 3–30 ° C.

Nanis hat eine interessante Kombination aus elektrischen und thermischen Eigenschaften. Das Vorhandensein von Eis, das bei Temperaturen bis + 151 ° C nicht schmilzt, kann für Ingenieure und Konstrukteure von Interesse sein. Bei Raumtemperatur ist solches Eis absolut stabil und kann als Drähte in Elektronik und anderen Geräten verwendet werden (Wasser ist einer der besten der Wissenschaft bekannten Protonenleiter ), die sich nicht auf + 151 ° C erwärmen, da dieser Leiter sonst schmilzt.

Die wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht 28. November 2016 in der Zeitschrift Nature Nanotechnology (doi: 10.1038 / nnano.2016.254, pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/de399679/