+ 151 डिग्री सेल्सियस के तापमान के साथ बर्फ कैसे प्राप्त करें

एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब के अंदर एक चतुष्कोणीय, पंचकोणीय और हेपटागोनल नैनोवाल्ड की संरचना। नीली और लाल गेंदें ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणुओं के अनुरूप होती हैं। स्रोत: 2008 सिमुलेशन परिणाम।

पानी के असामान्य गुण लंबे समय से वैज्ञानिकों द्वारा जांच के विषय हैं। दस साल पहले, यह पता चला कि 2.5 एनएम से कम व्यास वाले नैनोट्यूब के अंदर, पानी जमता नहीं है, लेकिन निरपेक्ष शून्य (−273.15 डिग्री सेल्सियस) के करीब तापमान पर भी प्रवाह जारी है । विषमताएँ वहाँ समाप्त नहीं होती हैं।

कार्बन नैनोट्यूब के अंदर एकत्रीकरण की स्थिति में परिवर्तन के साथ पानी के चरण संक्रमण स्पष्ट रूप से ऊष्मप्रवैगिकी के मानक सिद्धांत में फिट नहीं होते हैं। यह न केवल हिमांक पर लागू होता है, बल्कि क्वथनांक पर भी लागू होता है। जैसा कि ज्ञात है, सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर, पानी का क्वथनांक लगभग 100 ° C होता है। टैंक में बढ़ते दबाव के साथ, उबलते तापमान में वृद्धि होती है - इस सिद्धांत का उपयोग भोजन पकाने वाले द्वारा भोजन को तेजी से पकाने के लिए किया जाता है। इसके विपरीत, दबाव को कम करके पानी के क्वथनांक को कम किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 5 किमी की ऊँचाई पर पहाड़ों में कुछ उत्पादों को पकाना असंभव है, क्योंकि वहां वायुमंडलीय दबाव के कारण पानी का क्वथनांक केवल 83 ° C है।

वैज्ञानिकों को यह भी पता है कि पानी के चरण संक्रमण का तापमान बर्तन के आकार और आकार पर भी निर्भर करता है। यदि दबाव स्थिर रहता है, तो बर्तन के आयतन का उपयोग करके क्वथनांक या हिमांक को लगभग 10 ° C से स्थानांतरित किया जा सकता है। लेकिन कार्बन नैनोट्यूब में, चीजें उलटी हो जाती हैं। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, पानी पूरी तरह से शून्य के करीब तापमान पर एक तरल अवस्था को बनाए रखता है। अब, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के वैज्ञानिकों ने एक और दिलचस्प घटना का विस्तार से अध्ययन किया है - उच्च तापमान पर ठोस अवस्था (बर्फ नैनोट्यूब) में चरण संक्रमण, जब पानी सामान्य परिस्थितियों में वाष्पित होना चाहिए।

इस घटना का पता 2001 में चला।जापानी और अमेरिकी वैज्ञानिकों का एक समूह। आइस नैनोट्यूब विशेष रुचि के होते हैं क्योंकि वे उच्च तापमान पर बनते हैं और इसका उपयोग विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक नैनोडेविसेस में किया जा सकता है, जिसमें गैस नैनोटर्बाइन , फ्लो नैनोसेंसर और उच्च-प्रवाह झिल्ली शामिल हैं। इसके अलावा, 0 ° C से ऊपर के तापमान पर बर्फ के नैनोट्यूब में पानी जमने की क्षमता गर्मी हस्तांतरण प्रणालियों में बर्फ नैनोट्यूब का उपयोग करना संभव बनाती है । इस उपयोग की प्रायोगिक पुष्टि प्राप्त की गई थी, लेकिन कार्बन नैनोट्यूब के सटीक आकार और पैरामीटर, जो कमरे के तापमान और उससे ऊपर के पानी के ठोसकरण के लिए आवश्यक हैं, अभी तक ज्ञात और अध्ययन नहीं किया गया है।

आज तक, कार्बन नैनोट्यूब में पानी के चरण संक्रमण के साथ अधिकांश प्रयोग वास्तविक भौतिक प्रयोगों के बजाय एक कंप्यूटर पर आणविक गतिशीलता के सिमुलेशन तक सीमित हैं। अनुकरण के परिणामस्वरूप, यह पता चला कि पानी के गुण कार्बन नैनोट्यूब के व्यास पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, 0.8-1.0 एनएम के व्यास के साथ छिद्रों में, पानी वाष्प अवस्था में अच्छी तरह से स्थिर होता है, और कहीं-कहीं 1.1 और 1.2 एनएम के ट्यूब व्यास के बीच, सिमुलेशन बर्फ के रूप में, यानी ठोस रूप में स्थिरीकरण दिखाते हैं। फिर 1.4 एनएम से अधिक व्यास में वृद्धि के साथ, स्थिरीकरण फिर से तरल रूप में होता है। यह सब बहुत दिलचस्प है - और इसलिए, एमआईटी ने एकल और दोहरी दीवारों के साथ 1.05 से 1.52 एनएम के व्यास के साथ कार्बन नैनोट्यूब में पानी के गुणों का परीक्षण करने के लिए भौतिक प्रयोगों के लिए एक पद्धति विकसित की।प्रयोग के लेखकों ने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (रेडियल कंपन, आरबीएम) का उपयोग करके नैनोट्यूब में पानी की निगरानी के लिए एक तकनीक भी विकसित की है।


नैनोट्यूब बढ़ने और उन्हें पानी से भरने के लिए एक प्रयोगात्मक सेटअप (हाइड्रोफोबिक नैनोट्यूब पानी के अंदर क्यों गुजरते हैं - वैज्ञानिक भी पूरी तरह से नहीं समझते हैं); प्रयोग के लिए सिंगल और डबल लेयर नैनोट्यूब के कंप्यूटर मॉडल; रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी

प्रयोगों के परिणामों से पता चला है कि नैनोट्यूब के कुछ व्यास में, पानी 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर एकत्रीकरण की ठोस स्थिति में चला जाता है। 1.05 एनएम के एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब व्यास के साथ अधिकतम दर्ज चरण संक्रमण का तापमान 105 डिग्री सेल्सियस से 151 डिग्री सेल्सियस (अधिक सटीक रूप से मापना संभव नहीं था) है। यह भविष्यवाणी किए गए सिद्धांत की तुलना में बहुत अधिक है ।। कुछ मामलों में, वास्तविक ठंड बिंदु भविष्यवाणी की गई तुलना में लगभग 100 डिग्री सेल्सियस अधिक था। प्रयोग पहली बार वास्तविक प्रयोगशाला स्थितियों में किए गए थे - जैसा कि यह निकला, व्यर्थ नहीं। 1.05 और 1.06 एनएम के व्यास के साथ नैनोट्यूब में पानी के गुणों में इतने बड़े अंतर की उम्मीद किसी ने नहीं की थी।


आरेख में नीला रंग पानी की ठोस अवस्था को इंगित करता है, हरा तरल अवस्था को इंगित करता है, लाल खाली नैनोट्यूब (शुष्क अवस्था) को

इंगित करता है, हिमांक से गुजरने के बाद, वैज्ञानिकों ने तापमान को कम किया और पानी को एक तरल अवस्था में लौटा दिया, जिससे प्रक्रिया की पुनरावृत्ति साबित हुई। नैनोट्यूब में 1.06 एनएम के व्यास के साथ, बर्फ 87-77 ° के तापमान पर पिघल गया, नैनोट्यूब में 1.44 और 1.52 एनएम में, हिमांक बिंदु क्रमशः 15-49 ° और 3–30 ° के बीच है।

नैन बर्फ में बिजली और थर्मल गुणों का एक दिलचस्प संयोजन है। बर्फ की उपस्थिति जो कि तापमान में १५१ डिग्री सेल्सियस तक पिघलती नहीं है, इंजीनियरों और डिजाइनरों के लिए रुचि हो सकती है। कमरे के तापमान पर, ऐसी बर्फ बिल्कुल स्थिर होगी, इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य उपकरणों में तारों के रूप में किया जा सकता है (पानी विज्ञान के लिए सबसे अच्छा प्रोटॉन कंडक्टर में से एक है ), जो कि + 151 ° तक गर्मी नहीं करता है, अन्यथा यह कंडक्टर पिघल जाएगा।

वैज्ञानिक कार्य 28 नवंबर, 2016 को नेचर नैनो टेक्नोलॉजी (doi: 10.1038 / nnano.2016.254, pdf ) पत्रिका में प्रकाशित हुआ था ।

Source: https://habr.com/ru/post/hi399679/