kapalina | Svět2000

Není voda jako voda, podle vědců má dvě tváře

28. 4. 2025 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 3 min read 3639 Zobrazení kapalina, led, molekuly, nová forma, plyn, teplota, tlak, vazby, voda

Nové TOP 10 Vědecké objevy Země

Popis obrázku: Byly objevené čerstvé důkazy, že voda se může změnit z jedné formy kapaliny na jinou, hustší kapalinu. Připadá vám to podivné? Ale není, o objev se postarali vědci z univerzity v Birminghamu a univerzity Sapienza v Římě.

Voda je opravdu jedinečná a nyní víme o její další podobě, ke které chyběly důkazy. Voda se totiž dokáže rozdělit na dvě různé formy kapaliny.

Voda je jednu z mála látek, které umí na Zemi existovat v několika podobách. I když je ledem, kapalinou nebo plynem, pořád jde o vodu. Záleží pouze na okolních teplotách a tlaku. Voda je také jednou z mála látek, jejichž pevná forma má menší hustotu než její kapalina, proto led plave na hladině. To vše už o ni víme, ale co vědce překvapilo? Že má voda ve skutečnosti ještě jednu skrytou tvář.

Dvě tváře vody

Vědci tomu říkají „fázový přechod“. Nejde o novinku. Že by voda mohla mít i jinou formu než kapalnou, napadlo vědce už před 30 lety. Ale prokázání, že tomu tak opravdu je a že toto skupenství vody existuje, bylo dodnes pro vědce výzvou. Je to proto, že při nízkých teplotách voda odmítá být kapalinou a rychle se promění na led. O prokázání se už dříve snažili vědci z Bostonské univerzity, kteří předpokládali, že k přechodu dojde za podmínek podchlazení.

Většina kapalin je homogenních – všechny tečou dohromady a nelze rozlišit jednu molekulu kapaliny od druhé. Platí to především pro vodu. V roce 1992 však vědci přišli s teorií, že při určité teplotě a tlaku by kapalná voda dosáhla kritického bodu, ve kterém by již nebyla homogenní.

Skrytý stav vody

Kvůli tomuto skrytému stavu je o tomto fázovém přechodu vody, kdy je to stále kapalina, tedy – kapalina-kapalina, stále mnoho neznámého, na rozdíl od běžných příkladů fázových přechodů ve vodě mezi pevnou, parní a kapalnou fází.

Aby vědci toto jiné skupenství vody dokázali, použili k tomu koloidní model vody. Ten poskytl pohled do molekulární vody pod lupou a umožnil odhalit tajemství vody týkající se příběhu dvou kapalin.

Tým pak použil počítačové simulace, aby pomohl vysvětlit, jaké že to vlastnosti odlišují tyto dvě kapaliny na mikroskopické úrovni. Zjistili, že molekuly vody v kapalině s vysokou hustotou tvoří uspořádání, která jsou považovaná za „topologicky složitá“, jako je uzel trojlístku (představte si molekuly uspořádané do tvaru preclíku), nebo Hopfův článek (tady vazba vypadá jako dva spojené články ocelového řetězu). Molekuly v kapalině o vysoké hustotě jsou tedy zapletené. Molekuly v kapalině o nízké hustotě většinou tvoří jednoduché kruhy a proto molekuly v kapalině o nízké hustotě propletené nejsou.

Vědecký tým provedl simulace, které odhalily kritický bod, kdy dostatečně nízká teplota cca 198 Kelvinů (- 75°C) a dostatečně vysoký tlak (1 250 atmosfér), aby se voda spontánně rozdělila na dvě různé kapaliny – s vysokou a nízkou hustotou.

Tento náhled na mikromolekulární vazby poskytl zcela nový pohled na to, co bylo po 30 dlouhých let, starým výzkumným problémem.

Zjištění však nebylo snadné. Spuštění simulací pro tento výzkum zabralo téměř dva roky nepřetržitých výpočtů s použitím některých z nejvýkonnějších superpočítačů na světě, včetně Expanse v Centru Supercomputer v San Diegu. Porézní kapaliny, které se mohou pohybovat od nízké k vysoké hustotě, by se chovaly podobně jako houby, daly by se použít k zachycení znečišťujících látek, nebo jako filtr k odsolování vody.

Vědecká studie byla publikovaná v Nature Physics

Gelový elektret schopný přeměnit energii bez externího zdroje

16. 8. 2024 Iveta Mauci 2 min read 303 Zobrazení alkyl, gel, Gelový elektret, kapalina, stabilní náboj, věda, výzkum

Medicína Nové Technologie Věda

Jak dostat náboj podobný lidské energii vysílané ve svalech do umělého zdroje vytvořeného člověkem? Tak právě takovou výzvu řešili výzkumníci z Hokkaidské univerzity NIMS (Národní institut pro vědu o materiálech) a Farmaceutické univerzity Meiji.

Aby jejich výzva nebyla moc přízemní, vytvořili něco, co udrží stabilní elektrostatický náboj a zachová si tvar. Elektret bez potřeby dalšího zdroje.

Elektretové materiály schopné zadržovat elektrostatický náboj můžou být použité k vývoji zařízení poháněných vibracemi bez externích zdrojů energie. Zájem o vývoj takových lehkých, měkkých materiálů generujících energii roste hlavně v oblasti zdravotnictví, ale také v oblasti robotiky.

Co je gelový elektret

Gelový elektret je schopný stabilně udržet velký elektrostatický náboj. Tým do tohoto gelu zakomponoval vysoce flexibilní elektrody a vytvořil senzor schopný vnímat nízkofrekvenční vibrace. Např. vibrace generované lidským pohybem a převádět je na výstupní napěťové signály. Toto zařízení může být použité jako běžně nositelný zdravotní senzor.

Kapaliny alkyl–π vykazují vynikající vlastnosti zadržování náboje. Můžou být aplikované i na jiné materiály. Například nátěrem, nebo impregnací a navíc jsou snadno tvarovatelné.

Z kapaliny na alkyl

Výzkumnému týmu se podařilo vytvořit alkyl-π gel přidáním stopového množství nízkomolekulárního gelátoru do alkyl-π kapaliny. Zjistili, že modul pružnosti tohoto gelu je 40 milionkrát vyšší, než jeho kapalný protějšek. Mohl tak být zjednodušeně lépe fixovaný a utěsněný. Gel-elektret získaný nabitím tohoto gelu navíc dosáhl 24% zvýšení retence náboje ve srovnání se základním materiálem (tj. kapalinou alkyl–π), a to díky zlepšenému zadržení elektrostatických nábojů v gelu.

Další články z rubriky

Spojení flexibilních elektrod s gelovým elektretem vytvořil vibrační senzor schopný vnímat vibrace s frekvencemi až 17 Hz a převést ji na výstupní napětí 600 mV.

V budoucím výzkumu si tým klade za cíl vyvinout nositelné senzory schopné reagovat na jemné vibrace a různé deformace namáháním dalším zlepšením charakteristik nabíjení elektretu (tj. kapacity nabití a životnosti nabití) a pevnosti alkyl-π gelu. A protože je tento gel navíc recyklovatelný a znovu použitelný jako materiál pro snímač vibrací, očekává se, že jeho použití pomůže podpořit oběhové hospodářství.

Zdroj:

Tisková zpráva NIMS, Hokkaido University a Meiji Pharmaceutical University vyvinul gelový elektret schopný stabilně udržet velký elektrostatický náboj.(„Alkyl–π Funkční molekulární gely: Kontrola modulu pružnosti a zlepšení výkonu elektretu“

Tento výzkum s volným přístupem byl publikovaný v online verzi Angewandte Chemie International Edition.

Akito Tateyama, Kazuhiko Nagura, Masamichi Yamanaka,Takashi Nakanishi; Journal: Angewandte Chemie International Edition [11. dubna 2024]; DOI:10.1002/anie.202402874

Děsivá vlastnost: Vědci zjistili, že povrch asteroidu může proudit jako kapalina

11. 7. 2022 Iveta Mauci 3 min read 367 Zobrazení asteroid, děsivá vlastnost, kapalina, věda

TOP 10 Zajímavosti

Sonda NASA „OSIRIS-REx“ provedla měkké přistání na povrchu asteroidu „Bennu“ v říjnu 2020. Shromáždila několik velmi vzácných vzorků, které má přinést zpět na Zemi v roce 2023, napsal server mp.weixin.qq.com.

Když však vědci přezkoumali proces vzorkování, zjistili, že „Benu“ se zdá být trochu abnormální. Charakteristiky jeho povrchové textury během procesu vzorkování se nejen lišily od teoretických předpovědí, ale také ukázaly překvapivě tekutý povrch.

Obvykle je povrch asteroidu tvrdý a přistání na povrchu asteroidu je podobné přistání na hromadě suti. Ani při přistání nebude vyhozeno příliš mnoho prachových částic. Ale když se výzkumníci podívali na sérii fotografií pořízených detektorem během procesu vzorkování, byli ohromeni – viděli, jak místo vzorkování rozvířilo obrovskou „stěnu trosek“, scénu, která dokonce umožňovala detektoru manévrovat Personál cítil nádech strachu.

Šest měsíců po odběru vzorků, v dubnu 2021, vědci vrátili sondu do místa odběru vzorků, aby ji znovu pozorovali. Místo odběru vzorků se nachází v kráteru o průměru asi 20 m. Vědci zjistili, že proces odběru vzorků vytvořil na dně kráteru velký otvor o průměru 8 metrů.

Je až neuvěřitelné, že se tak velká díra vytvoří při jediném vzorkování. Vědci se původně domnívali, že odběr vzorků vytvoří nanejvýš malou jámu o průměru asi 30 centimetrů o velikosti sběrače vzorků. To ukazuje, že textura povrchu asteroidu „Bennu“ je docela měkká a bude tekutá jako kapalina.

Sonda zachytila vzorky „čerstvého“ materiálu 70 centimetrů pod povrchem asteroidu. Tyto materiály nebyly nikdy exponovány, takže je v podstatě neovlivňuje nepřetržité bombardování kosmickým zářením a slunečním větrem a mohou odrážet původní vzhled asteroidů.

Na základě dat shromážděných během návratu sondy k asteroidu vědci vypočítali hustotu povrchu asteroidu mezi 500 a 700 kilogramy na metr krychlový, což je jen asi jedna šestina průměrné hustoty hornin na povrchu Země, která je 3000 kilogramů na metr krychlový.

Vědci uvedli, že horniny na povrchu Bennu jsou velmi porézní a mezi kameny je také spousta mezer. Odhadovali, že velké kameny budou držet pohromadě jemnou drtí a že prach vyplňující dutiny bude působit jako lepidlo, které dodá určitou pevnost, ale není tomu tak.

**Během procesu vzorkování OSIRIS-REx se na povrchu asteroidu Bennu rozvířila obrovská „stěna trosek“.**

Měkká povaha Bennuova povrchu by mohla představovat výzvy pro budoucí plány obrany proti asteroidům. „Benu“ má průměr asi 500 metrů. Pokud by asteroid této velikosti zasáhl Zemi, stačilo by přímo zničit středně velkou zemi. Podle výpočtů má „Bennu“ pravděpodobnost 1/2700, že se srazí se zemí v letech 2175 až 2199. „Benu“ sám o sobě je velmi hrozivý asteroid.

Vědci se domnívají, že mnoho asteroidů může mít podobné vlastnosti, jako je hromada kamení, štěrku a prachu, které drží pohromadě slabá gravitace. Detekce „Benu“ ukazuje, že nemáme žádný způsob, jak předpovědět, jak se taková hromada suti bude chovat, když bude zasažena. Pokud opravdu chcete vykolejit asteroid, musíte předem vědět, jaké vlastnosti má jeho povrch a zda pohltí energii nárazu.

Vědci také zjistili, že materiál uvnitř Bennu nebyl erodován vesmírným počasím, což mu dalo načervenalý odstín. To naznačuje, že tam mohou být organické molekuly, jako jsou uhlovodíky. Mělo by to být zajímavé pro badatele, kteří chtějí pochopit původ života.

OSIRIS-REx plánuje vrátit shromážděné vzorky Bennu na Zemi v září 2023. Celkem sonda odebrala vzorek asi 250 gramů materiálu asteroidu. Po návratu vzorku na Zemi bude sonda pokračovat v pohybu a jejím dalším cílem je „notoricky známý“ vysoce rizikový asteroid – „Apophis“.

Zdroj: mp.weixin.qq.com