Como obter gelo com uma temperatura de + 151 ° C

A estrutura de um nanowold quadrangular, pentagonal e heptagonal dentro de um nanotubo de parede única. Bolas azuis e vermelhas correspondem a átomos de oxigênio e hidrogênio. Fonte: resultados da simulação de 2008. As

propriedades incomuns da água têm sido objeto de exame minucioso pelos cientistas. Dez anos atrás, descobriu-se que dentro de nanotubos com diâmetro inferior a 2,5 nm, a água não congela, mas continua a fluir mesmo a temperaturas próximas ao zero absoluto (-273,15 ° C). Extravagâncias não param por aí.

As transições de fase da água com uma mudança no estado de agregação dentro dos nanotubos de carbono claramente não se enquadram na teoria padrão da termodinâmica. Isso se aplica não apenas ao ponto de congelamento, mas também ao ponto de ebulição. Como é sabido, à pressão atmosférica normal, o ponto de ebulição da água é de cerca de 100 ° C. Com o aumento da pressão no tanque, a temperatura de ebulição aumenta - esse princípio é usado pelas panelas de pressão para cozinhar os alimentos mais rapidamente. Por outro lado, o ponto de ebulição da água pode ser reduzido reduzindo a pressão. Por exemplo, nas montanhas, a uma altitude de 5 km, é impossível cozinhar alguns produtos, porque o ponto de ebulição da água é de apenas 83 ° C devido à baixa pressão atmosférica.

Os cientistas também sabem que a temperatura das transições de fase da água também depende da forma e tamanho do vaso. Se a pressão permanecer constante, o ponto de ebulição ou o ponto de congelamento pode ser alterado em cerca de 10 ° C usando o volume do recipiente. Mas nos nanotubos de carbono, as coisas ficam de cabeça para baixo. Como já mencionado, a água mantém um estado líquido lá em temperaturas próximas ao zero absoluto. Agora, cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) estudaram em detalhes ainda outro fenômeno interessante - uma transição de fase para um estado sólido (nanotubos de gelo) a alta temperatura, quando a água deve evaporar em condições normais.

Esse fenômeno foi descoberto em 2001.um grupo de cientistas japoneses e americanos. Os nanotubos de gelo são de particular interesse porque se formam a altas temperaturas e podem ser usados ​​em vários dispositivos eletrônicos, incluindo nanoturbinas a gás , nanossensores de fluxo e membranas de alto fluxo. Além disso, a capacidade da água de congelar em nanotubos de gelo a temperaturas bem acima de 0 ° C torna possível o uso de nanotubos de gelo em sistemas de transferência de calor . Foram obtidas confirmações experimentais desse uso, mas os tamanhos e parâmetros exatos dos nanotubos de carbono, necessários para a solidificação da água à temperatura ambiente e acima, ainda não foram conhecidos e estudados.

Até o momento, a maioria dos experimentos com a transição de fase da água em nanotubos de carbono foi limitada a simulações da dinâmica molecular em um computador, em vez de experimentos físicos reais. Como resultado da simulação, verificou-se que as propriedades da água dependem fortemente do diâmetro do nanotubo de carbono. Por exemplo, em poros com diâmetro de 0,8-1,0 nm, a água se estabiliza bem no estado de vapor e, em algum ponto entre os diâmetros do tubo de 1,1 e 1,2 nm, as simulações mostram estabilização na forma de gelo, isto é, na forma sólida. Então, com um aumento no diâmetro acima de 1,4 nm, a estabilização ocorre novamente na forma líquida. Tudo isso é muito interessante - e, portanto, o MIT desenvolveu uma metodologia para experimentos físicos para testar as propriedades da água em nanotubos de carbono com um diâmetro de 1,05 a 1,52 nm, com paredes simples e duplas.Os autores do experimento também desenvolveram uma técnica para monitorar a água em nanotubos usando a espectroscopia Raman (vibrações radiais, RBM).


Uma configuração experimental para cultivar nanotubos e enchê-los de água (por que os nanotubos hidrofóbicos passam a água para dentro - os cientistas também não entendem completamente); modelos de computador de nanotubos de camada única e dupla para experimento; resultados da espectroscopia Raman Os

experimentos mostraram que, em certos diâmetros de nanotubos, a água entra em um estado sólido de agregação a temperaturas acima de 100 ° C. A temperatura máxima de transição de fase registrada é de 105 ° C a 151 ° C (não foi possível medir com mais precisão) com um diâmetro de nanotubo de parede única de 1,05 nm. Isso é muito maior do que a teoria prevista.. Em alguns casos, o ponto de congelamento real foi quase 100 ° C mais alto do que a teoria prevista. Os experimentos foram conduzidos pela primeira vez em condições reais de laboratório - como se viu, não em vão. Ninguém esperava uma diferença tão grande nas propriedades da água em nanotubos com diâmetro de 1,05 e 1,06 nm.


A cor azul no diagrama indica o estado sólido da água, o verde indica o estado líquido e o vermelho indica nanotubos vazios (estado seco).

Após passar pelo ponto de congelamento, os cientistas baixaram a temperatura e retornaram a água ao estado líquido, comprovando a reversibilidade do processo. Em nanotubos com diâmetro de 1,06 nm, o gelo derreteu a uma temperatura de 87-117 ° C; em nanotubos de 1,44 e 1,52 nm, o ponto de congelamento está entre 15-49 ° C e 3 a 30 ° C, respectivamente.

O gelo nan possui uma interessante combinação de propriedades elétricas e térmicas. A presença de gelo que não derrete em temperaturas de até + 151 ° C pode ser de interesse para engenheiros e projetistas. À temperatura ambiente, esse gelo será absolutamente estável, pode ser usado como fios em eletrônicos e outros dispositivos (a água é um dos melhores condutores de prótons conhecidos pela ciência ), que não aquecem até + 151 ° , caso contrário, esse condutor derreterá.

O trabalho científico foi publicado em 28 de novembro de 2016 na revista Nature Nanotechnology (doi: 10.1038 / nnano.2016.254, pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/pt399679/