Cómo obtener hielo con una temperatura de + 151 ° C

La estructura de un nanowold cuadrangular, pentagonal y heptagonal dentro de un nanotubo de pared simple. Las bolas azules y rojas corresponden a los átomos de oxígeno e hidrógeno. Fuente: resultados de la simulación de 2008. Las

propiedades inusuales del agua han sido objeto de escrutinio por parte de los científicos. Hace diez años, resultó que dentro de los nanotubos con un diámetro de menos de 2.5 nm, el agua no se congela, pero continúa fluyendo incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273.15 ° C). Las rarezas no terminan ahí.

Las transiciones de fase del agua con un cambio en el estado de agregación dentro de los nanotubos de carbono claramente no se ajustan a la teoría estándar de la termodinámica. Esto se aplica no solo al punto de congelación, sino también al punto de ebullición. Como se sabe, a presión atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de aproximadamente 100 ° C. Con el aumento de la presión en el tanque, la temperatura de ebullición aumenta: este principio es utilizado por las ollas a presión para cocinar los alimentos más rápido. Por el contrario, el punto de ebullición del agua puede reducirse reduciendo la presión. Por ejemplo, en las montañas a una altitud de 5 km es imposible cocinar algunos productos, porque allí el punto de ebullición del agua es de solo 83 ° C debido a la baja presión atmosférica.

Los científicos también saben que la temperatura de las transiciones de fase del agua también depende de la forma y el tamaño del recipiente. Si la presión permanece constante, el punto de ebullición o el punto de congelación se pueden cambiar aproximadamente 10 ° C usando el volumen del recipiente. Pero en los nanotubos de carbono, las cosas se ponen patas arriba. Como ya se mencionó, el agua retiene un estado líquido allí a temperaturas cercanas al cero absoluto. Ahora los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han estudiado en detalle otro fenómeno interesante: una transición de fase a un estado sólido (nanotubos de hielo) a alta temperatura, cuando el agua debe evaporarse en condiciones normales.

Este fenómeno fue descubierto en 2001.Un grupo de científicos japoneses y estadounidenses. Los nanotubos de hielo son de particular interés porque se forman a altas temperaturas y se pueden usar en varios dispositivos electrónicos, como nanoturbinas de gas , nanosensores de flujo y membranas de alto flujo. Además, la capacidad del agua para congelarse en nanotubos de hielo a temperaturas muy superiores a 0 ° C permite utilizar nanotubos de hielo en sistemas de transferencia de calor . Se obtuvieron confirmaciones experimentales de este uso, pero los tamaños y parámetros exactos de los nanotubos de carbono, que son necesarios para la solidificación del agua a temperatura ambiente y superiores, aún no se han conocido ni estudiado.

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos con la transición de fase del agua en nanotubos de carbono se han limitado a simulaciones de dinámica molecular en una computadora, en lugar de experimentos físicos reales. Como resultado de la simulación, resultó que las propiedades del agua dependen en gran medida del diámetro del nanotubo de carbono. Por ejemplo, en poros con un diámetro de 0.8-1.0 nm, el agua se estabiliza bien en estado de vapor, y en algún lugar entre los diámetros de los tubos de 1.1 y 1.2 nm, las simulaciones muestran estabilización en forma de hielo, es decir, en forma sólida. Luego, con un aumento en el diámetro sobre 1.4 nm, la estabilización nuevamente ocurre en forma líquida. Todo esto es muy interesante, y por lo tanto, el MIT desarrolló una metodología para experimentos físicos para probar las propiedades del agua en nanotubos de carbono con un diámetro de 1.05 a 1.52 nm con paredes simples y dobles.Los autores del experimento también desarrollaron una técnica para monitorear el agua en nanotubos usando espectroscopía Raman (vibraciones radiales, RBM).


Una configuración experimental para cultivar nanotubos y llenarlos con agua (por qué los nanotubos hidrofóbicos pasan agua al interior; los científicos tampoco lo entienden completamente); modelos informáticos de nanotubos de capa simple y doble para experimentos; Resultados de la espectroscopía Raman Los

experimentos han demostrado que a ciertos diámetros de nanotubos, el agua entra en un estado sólido de agregación a temperaturas superiores a 100 ° C. La temperatura de transición de fase máxima registrada es de 105 ° C a 151 ° C (no fue posible medir con mayor precisión) con un diámetro de nanotubos de pared simple de 1.05 nm. Esto es mucho más alto que la teoría predicha.. En algunos casos, el punto de congelación real fue casi 100 ° C más alto de lo previsto por la teoría. Los experimentos se realizaron primero en condiciones reales de laboratorio, como resultó, no en vano. Nadie esperaba una diferencia tan grande en las propiedades del agua en nanotubos con un diámetro de 1.05 y 1.06 nm.


El color azul en el diagrama indica el estado sólido del agua, el verde indica el estado líquido, el rojo indica nanotubos vacíos (estado seco)

Después de pasar por el punto de congelación, los científicos bajaron la temperatura y devolvieron el agua a un estado líquido, demostrando la reversibilidad del proceso. En nanotubos con un diámetro de 1.06 nm, el hielo se derritió a una temperatura de 87–117 ° ; en nanotubos de 1.44 y 1.52 nm, el punto de congelación está entre 15–49 ° y 3–30 ° , respectivamente.

Nan Ice tiene una combinación interesante de propiedades eléctricas y térmicas. La presencia de hielo que no se derrite a temperaturas de hasta + 151 ° C puede ser de interés para ingenieros y diseñadores. A temperatura ambiente, dicho hielo será absolutamente estable, puede usarse como cables en dispositivos electrónicos y otros dispositivos (el agua es uno de los mejores conductores de protones conocidos por la ciencia ), que no se calientan a + 151 ° , de lo contrario este conductor se derretirá.

El trabajo científico fue publicado el 28 de noviembre de 2016 en la revista Nature Nanotechnology (doi: 10.1038 / nnano.2016.254, pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/es399679/