Cara mendapatkan es dengan suhu + 151 ° C

Struktur nanowold segi empat, pentagonal, dan heptagonal di dalam nanotube berdinding tunggal. Bola biru dan merah berhubungan dengan atom oksigen dan hidrogen. Sumber: hasil simulasi 2008.

Sifat-sifat air yang tidak biasa telah lama menjadi subjek penelitian oleh para ilmuwan. Sepuluh tahun yang lalu, ternyata di dalam tabung nano dengan diameter kurang dari 2,5 nm, air tidak membeku, tetapi terus mengalir bahkan pada suhu mendekati nol absolut (−273,15 ° C). Keanehan tidak berakhir di sana.

Transisi fase air dengan perubahan status agregasi di dalam nanotube karbon jelas tidak cocok dengan teori standar termodinamika. Ini tidak hanya berlaku pada titik beku, tetapi juga pada titik didih. Seperti diketahui, pada tekanan atmosfer normal, titik didih air adalah sekitar 100 ° C. Dengan meningkatnya tekanan di dalam tangki, suhu mendidih meningkat - prinsip ini digunakan oleh penekan tekanan untuk memasak makanan lebih cepat. Sebaliknya, titik didih air dapat dikurangi dengan mengurangi tekanan. Sebagai contoh, di pegunungan pada ketinggian 5 km tidak mungkin untuk memasak beberapa produk, karena di sana titik didih air hanya 83 ° C karena tekanan atmosfer yang rendah.

Para ilmuwan juga tahu bahwa suhu transisi fase air juga tergantung pada bentuk dan ukuran kapal. Jika tekanan tetap konstan, titik didih atau titik beku dapat digeser sekitar 10 ° C menggunakan volume kapal. Tapi dalam nanotube karbon, semuanya bisa terbalik. Seperti yang telah disebutkan, air mempertahankan keadaan cair di sana pada suhu mendekati nol absolut. Sekarang para ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah mempelajari secara terperinci fenomena menarik lainnya - transisi fase ke keadaan padat (es nanotube) pada suhu tinggi, ketika air harus menguap dalam kondisi normal.

Fenomena ini ditemukan pada tahun 2001.sekelompok ilmuwan Jepang dan Amerika. Ice nanotube sangat menarik karena mereka terbentuk pada suhu tinggi dan dapat digunakan dalam berbagai layanan nano elektronik, termasuk gas nanoturbine , flow nanosensor, dan membran aliran tinggi. Selain itu, kemampuan air untuk membeku menjadi nanotube es pada suhu di atas 0 ° C memungkinkan untuk menggunakan nanotube es dalam sistem transfer panas . Konfirmasi eksperimental penggunaan ini diperoleh, tetapi ukuran dan parameter yang tepat dari nanotube karbon, yang diperlukan untuk pemadatan air pada suhu kamar dan di atas, belum diketahui dan dipelajari.

Sampai saat ini, sebagian besar percobaan dengan fase transisi air dalam karbon nanotube telah terbatas pada simulasi dinamika molekul pada komputer, daripada eksperimen fisik nyata. Sebagai hasil dari simulasi, ternyata sifat-sifat air sangat bergantung pada diameter karbon nanotube. Misalnya, dalam pori-pori dengan diameter 0,8-1,0 nm, air menstabilkan sumur dalam keadaan uap, dan di suatu tempat antara diameter tabung 1,1 dan 1,2 nm, simulasi menunjukkan stabilisasi dalam bentuk es, yaitu, dalam bentuk padat. Kemudian, dengan peningkatan diameter lebih dari 1,4 nm, stabilisasi kembali terjadi dalam bentuk cair. Semua ini sangat menarik - dan karena itu, MIT mengembangkan metodologi untuk percobaan fisik untuk menguji sifat-sifat air dalam karbon nanotube dengan diameter 1,05 hingga 1,52 nm dengan dinding tunggal dan ganda.Para penulis percobaan juga mengembangkan teknik untuk memantau air dalam nanotube menggunakan spektroskopi Raman (getaran radial, RBM).


Pengaturan eksperimental untuk menumbuhkan nanotube dan mengisinya dengan air (mengapa nanotube hidrofobik melewatkan air di dalam - para ilmuwan juga tidak sepenuhnya mengerti); model komputer nanotube lapisan tunggal dan ganda untuk percobaan; hasil spektroskopi Raman

Eksperimen telah menunjukkan bahwa pada diameter tertentu dari nanotube, air masuk ke keadaan agregasi padat pada suhu di atas 100 ° C. Suhu transisi fase maksimum yang tercatat adalah dari 105 ° C hingga 151 ° C (tidak mungkin untuk mengukur lebih tepat) dengan diameter nanotube berdinding tunggal 1,05 nm. Ini jauh lebih tinggi dari teori yang diprediksi.. Dalam beberapa kasus, titik beku aktual hampir 100 ° C lebih tinggi dari prediksi teori. Percobaan pertama kali dilakukan dalam kondisi laboratorium nyata - ternyata, tidak sia-sia. Tidak ada yang menyangka perbedaan besar dalam sifat-sifat air dalam nanotube dengan diameter 1,05 dan 1,06 nm.


Warna biru dalam diagram menunjukkan keadaan padat air, hijau menunjukkan keadaan cair, merah menunjukkan nanotube kosong (keadaan kering)

Setelah melewati titik beku, para ilmuwan menurunkan suhu dan mengembalikan air ke keadaan cair, membuktikan reversibilitas proses. Dalam nanotube dengan diameter 1,06 nm, es meleleh pada suhu 87-117 ° dalam nanotube 1,44 dan 1,52 nm, titik beku masing-masing antara 15-49 ° and dan 3-30 ° .

Es Nan memiliki kombinasi sifat listrik dan termal yang menarik. Kehadiran es yang tidak meleleh pada suhu hingga + 151 ° C mungkin menarik bagi para insinyur dan perancang. Pada suhu kamar, es seperti itu akan benar-benar stabil, dapat digunakan sebagai kabel dalam perangkat elektronik dan lainnya (air adalah salah satu konduktor proton terbaik yang dikenal dalam sains ) yang tidak memanas hingga + 151 ° C, jika tidak, konduktor ini akan meleleh.

Karya ilmiah diterbitkan pada 28 November 2016 dalam jurnal Nature Nanotechnology (doi: 10.1038 / nnano.2016.254, pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/id399679/