tlak | 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 3646 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

Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert

„Inteligentní“ kontaktní čočky by mohly umožnit bezdrátovou detekci glaukomu

10. 5. 2024 Iveta Mauci 0 komentářů 2 min read 2547 Zobrazení čočka, gluakom, ochrana, oko, teplota, tlak, zrak

Medicína Nové Technologie TOP 10

Většina lidí s raným stádiem glaukomu neví, že ho mají, i když včasná léčba je klíčem ke snížení ztráty zraku. Zatímco detekce jemného zvýšení očního tlaku pomáhá lékařům diagnostikovat glaukom, je náročné a vyžaduje neustálé sledování, zvláště při různých teplotách, které oči zažívají. Nyní vědci prostřednictvím ACS Applied Materials & Interfaces, zveřejněném na Eureka Alert, ukázali prototyp „chytré“ kontaktní čočky, která přesně měří oční tlak bez ohledu na teplotu.

Glaukom, skupina onemocnění, která poškozuje zrakový nerv a vede ke ztrátě zraku. Lékaři při očním vyšetření používají k jednorázovému měření očního tlaku „testy nafouknutí vzduchu“ vyvolávající ucuknutí. Mírné zvýšení tlaku, jinak nepostřehnutelný příznak způsobený nahromaděním tekutiny kolem rohovky, může vést k diagnóze glaukomu.

Vědci testovali způsoby, jak nepřetržitě a pohodlněji detekovat tyto drobné výkyvy tlaku, jako jsou kontaktní čočky, které přenášejí signály do receptorových brýlí. Měnící se teploty, jako například vyjít ven do chladného počasí, však mohou ovlivnit měření čoček. Dengbao Xiao a spolupracovníci tedy chtěli vyvinout kontaktní čočku, která přesně měří a bezdrátově přenáší signály o očním tlaku v reálném čase v širokém rozsahu teplot.

Zaprvé, Xiao a tým navrhli dva miniaturní spirálové okruhy, každý s jedinečným přirozeným vibračním vzorem, který by se měnil při natažení o nepatrné množství, například při změnách tlaku a průměru oka. K vytvoření kontaktních čoček detekujících tlak vědci vložili tyto drobné obvody mezi vrstvy polydimethylsiloxanu, typického materiálu pro kontaktní čočky. Poté bezdrátově přečetli vibrační vzorce vestavěných obvodů tak, že přidrželi cívku blízko čočky, která byla připojena k počítači. Vysílané signály nebyly ovlivněny testy, jejichž cílem bylo napodobit pohyb očí, delší vystavení vlhkosti (pro simulaci vlhkých podmínek v oku) a každodenní opotřebení.

Tato „chytrá“ kontaktní čočka by mohla jednoho dne pomoci měřit oční tlak a vysílat bezdrátové signály, které by umožnily včasnou detekci glaukomu.

V laboratorních testech vědci umístili nové čočky na tři jednotlivé vzorky prasečího oka, přičemž kontrolovali oční tlaky a teploty. Kontaktní čočky monitorovaly a bezdrátově přenášely údaje o tlaku od 10 do 50°C. Když byly tlaky počítány ze signálu pouze jednoho okruhu v čočce, výsledky se odchylovaly až o 87 % od skutečných hodnot. Při použití informací z obou okruhů se však hodnoty tlaku lišily pouze o 7 % od skutečné hodnoty, protože kombinace odstranila chyby související s teplotou. Vědci tvrdí, že jejich dvouokruhový „chytrý“ design čoček má potenciál být použit pro přesnou včasnou detekci a monitorování glaukomu, a to i v širokém rozsahu teplot.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikovaná v ACS pod názvem „Teplotní samokompenzační inteligentní bezdrátová kontaktní čočka pro kvantitativní monitorování nitroočního tlaku“

Iveta Mauci

localhost/wp

Co způsobuje, že ponorka imploduje?

10. 10. 2023 Petr Kovanda 0 komentářů 5 min read 427 Zobrazení fyzika, inploze, ponorky, tlak, vzduch

Dějiny Fyzika-matematika Technologie TOP 10 Zajímavosti

Lidé se snažili prozkoumat a orientovat pod mořem přibližně od roku 300 př. n. l. V průběhu historie se používala řada metod pro cestování pod vodou za účelem výzkumu, píše ABC Science. Legenda praví, že první pokus o zhotovení prototypu ponorky učinil Alexandr Veliký.

To znamená, že pustit se do moře ve skleněném sudu se stěží zdálo jako účinná metoda k prozkoumání podmořského světa.

Ponorky jsou zázraky techniky, které se pohybují v hlubinách oceánu, odolávají obrovskému tlaku a umožňují lidem prozkoumávat podmořský svět.

V roce 1578 n. l. sestrojil britský námořní důstojník William Bourne plavidlo s dřevěnou konstrukcí potaženou nepromokavou kůží, na kterém se dalo veslovat pod vodou. První oficiálně zdokumentovaná ponorka nazvaná „Turtle“ vznikla během americké revoluční války v roce 1776. Teprve koncem 19. století se ponorky s vývojem pohonných systémů a pokročilejších technologií nakonec vyvinuly v praktická plavidla.

Jak si ponorka udržuje tlak odpovídající atmosféře?

Ponorky jsou konstruovány tak, aby ve svém trupu udržovaly stejný tlak jako atmosférický tlak na úrovni hladiny moře.

To nutí k zamyšlení, proč je tak důležité udržovat tento odpovídající tlak? Pokud se vnitřní tlak výrazně liší od vnějšího tlaku, může vyvíjet nepřirozené namáhání trupu, což vede ke strukturálním poruchám, netěsnostem nebo dokonce implozi.

Když je ponorka na hladině, jsou zátěžové nádrže naplněny vzduchem, takže plavidlo má menší hustotu než voda a může plout. Když se však ponorka potřebuje ponořit, vypustí vzduch z balastních nádrží a nahradí ho vodou, čímž se hustota plavidla zvýší. Vnitřní tlak ponorky je regulován rovnováhou mezi tlakem vody působící na trup a tlakem vzduchu uvnitř.

Když se ponorka ponoří hlouběji, tlak vody se zvýší a stlačí tlak vzduchu uvnitř trupu. Proto se k vyrovnání tlaku uvnitř ponorky při výstupu nebo sestupu odpovídajícím způsobem zaplavují nebo odčerpávají balastní nádrže. Všechny ponorky mají také vnitřní systémy zvané „tlakové koule“, které zabraňují příliš velkému vnitřnímu tlaku vzduchu.

Co jsou tlakové sféry a proč jsou tak důležité?

Motor ponorky s tlakoměry

Je zřejmé, že „tlakové trupy“ jsou důležité konstrukce uvnitř ponorky, ale jaké jsou přesně jejich funkce?

Tlakový trup je hlavní vodotěsná konstrukce, která zajišťuje pevnost hlavního skeletu ponorky. Je konstruován tak, aby odolal vnějšímu tlaku působícímu z hlubin oceánu a chránil tak posádku a systémy uvnitř.

Jedním z nejdůležitějších úkolů, na které si musí konstruktéři při navrhování ponorky dávat pozor, je zajistit odolnost tlakových trupů proti únikům. Musí se vyrovnat s vnějším hydrostatickým tlakem, aniž by se zhroutily nebo zdeformovaly, a zároveň musí být zachována celková integrita tlakového trupu.

Jak se v ponorce skladuje dýchatelný kyslík?

Ponorky obvykle používají k výrobě kyslíku na palubě kanystry s generátorem kyslíku. Kanystr je naplněn směsí chlorečnanu sodného a železného prášku, která po zapálení podléhá chemické reakci a uvolňuje plynný kyslík.

Elektrolýzní jednotky

Protože ponorky nemají přímý přístup k atmosféře, musí mít pod vodou dostatek dýchatelného kyslíku na delší dobu. Uvnitř ponorek je instalován systém, který vyrábí kyslík na palubě a skladuje ho pro pozdější použití.

Jednou z metod výroby kyslíku pod vodou je samozřejmě elektrolýza vody! Elektrolýzou se voda štěpí na molekuly vodíku a kyslíku a následně se kyslík uchovává ve vysokotlakých nádržích. Na palubě lze určitě nosit i kyslíkové lahve. V těchto lahvích se uchovává kyslík pod vysokým tlakem, který může poskytovat dýchatelný kyslík lidem uvnitř ponorky.

Kvůli technickým omezením a energii spotřebované během procesu však elektrolýza není všeobecně uznávanou metodou výroby kyslíku.

Co může způsobit, že ponorka imploduje?

Ponorky jsou konstruovány tak, aby odolávaly obrovským vnějším tlakům, ale přesto zůstává riziko imploze jednou z hlavních obav při konstrukci ponorky. K implozi dochází, když tlak vně ponorky překročí pevnost konstrukce tlakového trupu ponorky a způsobí její zhroucení dovnitř.

Když ponorka pracuje ve velkých hloubkách, může okolní voda vyvíjet na tlakový trup obrovský tlak; když tento tlak překročí mezní hodnotu, stane se pro tlakový trup neúnosným. To způsobí zhroucení trupu dovnitř. K tomuto katastrofickému selhání může přispět řada příčin, včetně slabin v konstrukční celistvosti, konstrukčních chyb nebo dokonce příliš vysokých limitů hloubky.

Náhlé zhroucení trupu vede k téměř okamžité ztrátě životů na ponorce, ke ztrátě ponorky a k různým dalším environmentálním rizikům. Ponorky zpravidla procházejí přísným výcvikem a testy, které mají zajistit, aby k takovému tragickému jevu nedošlo.

Slovo na závěr

Udržování stejného tlaku, jaký má okolní atmosféra, je pro bezpečný provoz ponorek klíčové. Regulace vnitřního tlaku je nezbytná, aby ponorky byly dostatečně odolné a odolaly silnému vnějšímu tlaku vody a ochránily tak posádku a vnitřní systémy. Skladovací systémy určené pro uchovávání dýchatelného kyslíku zajišťují nepřetržité zásobování pro delší podvodní mise.

Tlakové trupy hrají důležitou roli při zajišťování podpory a pevnosti, udržování strukturální integrity a odolávání vnějším tlakům hlubokých oceánských vod. Imploze, ačkoli je vzácná, je nevyhnutelnou obavou, kterou je třeba se zabývat předtím, než se člověk rozhodne prozkoumat tajemství hlubokých vod oceánu.

Petr Kovanda

Mýdlové bubliny se změnily v lasery

18. 7. 2023 Iveta Mauci 3 min read 398 Zobrazení elektrické pole, laser, mikrodutina, mikrosenzory, mýdlová bublina, tlak

Nové Technologie TOP 10 Věda

Bublinové lasery se ukázaly jako působivé senzory s mnoha potenciálními aplikacemi

Fyzikové již dlouho studují mýdlové bubliny pro jejich mimořádné geometrické vlastnosti jako minimálních ploch, pro způsob, jakým oscilují, a pro krásné interferenční vzory, které se objevují na jejich povrchu, píše Magazín Discover.

Bylo by tedy snadné si myslet, že mýdlové bubliny už nemají co nabídnout z hlediska exotické fyziky a nemají žádné nové využití mimo vanu. Ale to byste se mýlili.

Přicházejí Zala Potŏcniková a Matjaž Humar z Univerzity v Lublani ve Slovinsku, kteří našli způsob, jak z mýdlových bublin udělat lasery. Díky této inovaci otevřeli skromné mýdlové bublině zcela nový svět možných aplikací.

Nejprve několik informací

Lasery produkují světlo prostřednictvím procesu optického zesílení, při kterém průchod fotonů prostředím stimuluje emisi dalších fotonů. Mýdlové bubliny jsou klíčovými součástmi laseru jako médium, které zesiluje světlo a proces optické zpětné vazby, který umožňuje posílat stejné fotony médiem vícekrát.

Ukázalo se, že mýdlové bubliny splňují všechna tato kritéria. Potŏcniková a Humar vytvořili zesilovací médium přidáním barviva do mýdla a vody, z nichž se bubliny tvoří.

A optickou zpětnou vazbu vytvoří tak, že do bubliny vyšlou laserové světlo pod úhlem, který se dotýká povrchu bubliny. Tímto způsobem se světlo zachytí uvnitř bubliny v prstenci, protože se opakovaně odráží od vnitřního povrchu, což je efekt známý jako režim šeptající galerie. „Ukázali jsme, že mýdlové a smektické bubliny dopované barvivem mohou podporovat lasování v režimu šeptající galerie,“ říkají vědci.

Mýdlové a vodní bubliny lze snadno vyrobit, ale jejich povrchovou tloušťku je obtížné kontrolovat. Proto Potŏcniková a Humar vytvářejí bubliny také pomocí samotných povrchově aktivních látek dopovaných barvivem, smektické bubliny, jak se jim říká. Ty se formují do molekulárních vrstev, takže jejich tloušťka je vždy určitým celočíselným násobkem jedné vrstvy. Jsou mimořádně stabilní a umožňují provádět experimenty na jedné bublině po dobu až 30 minut. I ony svítí stejným způsobem jako mýdlové bubliny.

„Díky své tekuté povaze jsou bubliny ve srovnání se svými skleněnými protějšky měkké,“ říkají vědci. „To ovlivňuje lasování a umožňuje některé jedinečné aplikace.“

Například laserový výkon je velmi citlivý na jakoukoli změnu velikosti nebo tvaru bubliny. „Lasování umožnilo měřit změny velikosti o velikosti pouhých 10 nanometrů v milimetrové bublině o tloušťce ∼100 nanometrů,“ říkají výzkumníci.

A to umožňuje detekovat cokoli, co ovlivňuje velikost bubliny. Potŏcniková a Humar používají své bublinové lasery k měření změn atmosférického tlaku a také elektrických polí, která mění tvar bublin. A přidáním magnetických nanočástic do filmu by prý mohli detekovat změny magnetických polí.

„Lasery s mýdlovými bublinami jsou unikátním typem mikrodutin, které jsou jedním z dosud nejlepších mikrosenzorů elektrického pole a tlaku,“ říkají vědci.

To je zajímavá práce, která mění bubliny z koupelnových kuriozit ve vysoce citlivá měřicí zařízení. Vzhledem k tomuto úspěchu se nemůžeme dočkat budoucích inovací Potŏcnikvé a Humara s gumovými kačenkami!

Ref: Soap Bubble Lasers : arxiv.org/abs/2306.14676

Iveta Mauci

localhost/wp