Вода, которая никогда не замерзает
Сделать кубики льда очень просто: берем обычный пластиковый лоток для кубиков льда, наполняем его водой и ставим в морозильник. Вскоре вода кристаллизуется и превращается в лед. Если проанализировать структуру кристаллов льда, мы увидим, что молекулы воды расположены в виде правильных решетчатых структур. В воде же, напротив, молекулы расположены не в строгом порядке, хоть и близко друг к другу: иначе вода не могла бы течь.
А что, если бы вода никогда не превращалась в лед? И возможно ли это?
«Стеклянная» вода
Группа физиков и химиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Цюрихского университета во главе с профессорами Раффаэле Мецценга (Raffaele Mezzenga) и Эхудом Ландау (Ehud Landau) нашла необычный способ, который мешает воде кристаллизоваться, сообщается на сайте ETH. При экстремальных минусовых температурах – даже при -263 градусах по Цельсию – вода сохраняет характеристики жидкости.
По порядку – о поиске нового метода. На первом этапе исследователи разработали и синтезировали новый класс липидов (молекул жира) для создания новой формы «мягкой» биологической субстанции, известной как липидная мезофаза. Мезофазой называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между жидкостью и твердым телом. Самый известный пример мезофазы – желатин. В этом материале липиды самопроизвольно собираются и объединяются, образуя мембраны, которые ведут себя так же, как молекулы натурального жира. Эти мембраны затем формируют сети соединенных каналов диаметром менее одного нанометра. Температура и количество воды, а также новая структура разработанных липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.
Затем воду смешали с липидной мезофазой. Используя жидкий гелий, исследователи смогли охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры -263 градуса по Цельсию (что всего на 10 градусов выше абсолютного «нуля»), и кристаллы льда не образовались. При этой температуре вода стала «стеклообразной», что исследователи смогли продемонстрировать и подтвердить при моделировании. В отличие от пластикового лотка для кубиков льда с крупными «лунками», в узких каналах липидной мезофазы нет места для образования кристаллов льда, поэтому вода остается беспорядочной даже при экстремальных минусовых температурах. Липиды тоже не замерзают. Результаты исследования этого необычного поведения воды, когда она заключена в липидную мезофазу, были описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
«Ключевым фактором является соотношение липидов и воды», – объясняет профессор Раффаэле Мецценга из Лаборатории пищевых и мягких материалов в ETH Zurich. Соответственно, именно содержание воды в смеси определяет температуру, при которой изменяется геометрия мезофазы. Если, например, смесь содержит 12% воды, структура мезофазы будет переходить при температуре около -15 градусов Цельсия из кубической решетки в пластинчатую структуру.
Естественный «антифриз» для бактерий
«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка», – говорит Эхуд Ландау, профессор химии в Цюрихском университете. Так происходит потому, что молекулы липидов состоят из двух частей: одна является гидрофобной (отталкивает воду), а другая – гидрофильной (наоборот, притягивает воду). С ними чрезвычайно сложно работать, отмечает ученый.
Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными частями и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями.
Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий. Эти бактерии также вырабатывают особый класс самоорганизующихся липидов, которые могут естественным образом ограничивать количество воды в их внутреннем пространстве, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.
У нового класса тоже есть свой хитрый механизм. Новизна этих липидов заключается в том, что молекулы гидрофобных частей липидов образуют маленькие кольца, которые создают необходимую «кривизну» для образования крошечных водяных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов.
Мягкая материя для исследований
Для чего понадобятся липидные мезофазы, которые не дают воде замерзнуть? Главным образом, они будут служить инструментом для других исследователей. Например, для биологов, которые изучают структуру и функции крупных биомолекул, таких как белки или крупные молекулярные комплексы. Обычно такие образцы помещают в быстро охлажденную воду, чтобы сохранить их и в дальнейшем изучить. Но как только они превращаются в ледяные кристаллы, разрушаются их мембраны и важные составляющие молекул.
Существует метод витрификации – «стеклования» живых клеток. В криобиологии этот термин используют для обозначения метода сверхбыстрого замораживания живых образцов. Криопротекторный раствор, в котором находятся живые объекты, не кристаллизуется при охлаждении, а переходит в стекловидное состояние. Этот метод активно используют при криоэлектронной микроскопии, которая помогает изучить структуры биомеолекул в растворах. Новый способ, который использует липидные мезофазы, может стать альтернативой при подобных исследованиях.
«Наше исследование прокладывает путь для будущих проектов, чтобы определить, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах», – говорит профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
Источник
Какая вода не мерзнет зимой
И вот, начались отрицательные температуры. Сегодня под утро обещают до -3, и уже сейчас на термометре 0.
Выпал снег, и появилась угроза замерзания воды в садовом водопроводе:
Компостная куча и деревья в снегу:
Ветви ели и электрические провода в снегу:
Все сливают воду из летних водопроводов. Я пока не слил, и на то у меня есть две причины — побудительная и рассудительная. Побудительная — не хочется несколько дней до намеченного отъезда в город пользоваться холодным рукомойником. А рассудительная причина объясняет, почему этого можно действительно не делать.
Начну с того, что на даче я живу только в тёплое время года, когда температуры воздуха исключительно положительные. Дом у меня хотя и утеплённый, но по своим теплоизоляционным характеристикам не предназначен для зимнего проживания. Да, он утеплён слоями пенопласта и фольгированной изоляцией, но это утепление недостаточно для существенных температурных минусов. Поэтому и с водопроводом я особенно не стал заморачиваться. Погружной насос в колодце накачивает воду в гидроаккумулятор, находящийся в неотапливаемом хозблоке, по трубе ПНД диаметром 32 мм, а раздача на восемь точек на участке идёт трубами ПНД диаметром 25 мм. Трубы, где они не мешают, лежат прямо на поверхности земли, а в других местах просто слегка углублены в грунт.
Из школьного курса физики я точно знаю, что точка перехода воды из жидкого состояния в твёрдое находится на отметке 0 градусов. Но что-то мне подсказывало, что температура замерзания воды в трубе будет немного ниже. Чётко объяснить причину такого ощущения я не мог, и полез в Интернет, чтобы узнать точно, при какой температуре вода в трубах реально замерзает. И действительно, я нашёл информацию, что для замерзания воды в трубе нужны температуры -5 — -7 градусов, стоящие в течение несколько дней! Не знаю, насколько это правда, но это означало, что, по крайней мере, одну ночь при температуре -3 водопровод точно должен выдержать.
То, что чёрная пластиковая труба ПНД идёт в верхнем плодородном слое земли, в котором продолжают происходить процессы гниения с непременным выделением тепла, внушает мне дополнительный оптимизм. Ну и, наконец, я особенно ничем не рискую — труба ПНД переносит достаточное количество циклов замерзания-оттаивания воды в ней. Максимум что может произойти — ослабнут фитинги, но их всегда можно подкрутить. Гидроаккумулятор стоит хоть в неотапливаемом, но закрытом помещении, что тоже должно способствовать его защите от небольшого минуса. В общем, я решил пока что воду не сливать. Хотя тревожат закрытые шаровые краны, те, что на улице. Пожалуй, это единственное слабое место. Если они не переживут ночь, придётся думать дальше. Но эксперимент есть эксперимент. Завтра отпишусь о результатах (если будет время в перерывах между проливами труб кипятком )))
P.S.: Знаю ещё, что не замерзает текущая вода. Видимо потому, что не успевает выстроится кристаллическая решётка. Ну и если речь о водопроводе, то новые порции воды всегда на несколько градусов теплее нуля. Так, на дне колодца температура воды около +4 градусов. Так что при экстремальном минусе можно немного приоткрыть краники на концах раздаточных водопроводных линий. Главное, чтобы вода в колодце не кончилась )))
А вот статическое давление на температуру замерзания влияет очень слабо. Так, чтобы точку замерзания сместить на 1 градус ниже нуля, нужно 130 атмосфер. В водопроводе же всего около 3 атмосфер. Так что часто встречающийся в Интернете и безбожно растиражированный бред про незамерзающие из-за давления колонки в деревнях — полная чушь. В колонке выше глубины промерзания грунта воды просто нет. Она там появляется только при нажатии на рычаг, и стекает обратно при его отпускании. Чтобы убедиться в этом, достаточно посчитать количество времени, проходящее между нажатием на рычаг и появлением из колонки воды, или просто изучить конструкцию колонки в Интернете.
UPD 18.10.2014 18:10:
Отчитываюсь. Ночью было -1,5 градуса.
- Трубы ПНД диаметром 32 и 25 мм, проложенные просто по земле, а также слега присыпанные землёй не замёрзли. То же и с трубами рядом со стенами неотапливаемых помещений, расположенных у меня до высоты 150 см. То есть трубы ПНД никакие не замёрзли нигде несмотря на полное отсутствие в них движения воды.
- Закрытые шаровые краны 15 мм (1/2″) замёрзли, но их не порвало. Очень быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
- Узкие гибкие подводки и керамические краны рукомойника замёрзли, но тоже быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
- Гидроаккумулятор 50 литров в неотапливаемом помещении не замёрз.
- Температура в 30-литровом бойлере, установленном в неотапливаемом душе, за ночь упала с 75 до 45 градусов.
Таким образом констатирую, что несмотря на критичную температуру -1,5 градуса, система выдержала. А вот на участке
Сейчас температура держится у отметки -0,5 градусов. Ещё утром все шаровые краны и краны уличного умывальника я немножко приоткрыл, чтобы из них тоненькой струйкой сочилась вода. За день они не замёрзли. Надеюсь, что в таком режиме они переживут и ночь. Расход воды небольшой, колодец опустошиться не должен. О том, как система переживёт вторую ночь отрицательных температур, отпишусь завтра.
UPD 19.10.2014 02:10:
В общем, эксперимент пришлось прервать из-за отсутствия достаточного количества воды в колодце )))
У меня из 8 точек разбора воды 7 находятся на улице. Поскольку они все были приоткрыты во избежание порчи шаровых кранов, то за день они высосали у меня весь колодец! Осень была довольно сухая, и дебет колодца сейчас весьма низок. В итоге я слил таки всю воду из системы и вытащил насос.
В следующем году думаю докупить 15 метров ПНД 25 мм и пару шаровых, и разделить всю свою систему на 2 части — дом и всё остальное. При минусах буду сливать всё, кроме линии на дом. Если 7 струек выкачали колодец за 10 часов, то одна струйка выкачает его за 3 дня. Возможно, в этом случае дебет колодца будет достаточным для того, чтобы он успевал восполнять выкаченное. Вот так )
UPD 19.10.2014 17:10:
Интересное наблюдение. Ночью было -7,5 градусов. На бочках лёд около 2 сантиметров, причём и сверху, и на стенках. А вот на дне нет! Значит, тепло от земли идёт. Стало быть, правильно я водопровод по земле проложил, а не по забору. А ведь хотел по забору.
Источник
Замерзают ли моря с приходом зимы? (2 фото)
С приходом зимы и морозов большинство озер, прудов и даже рек покрывается до весны плотной ледяной коркой. А почему море не замерзает зимой, и так ли это на самом деле?
Факторы, влияющие на процесс замерзания морской воды
В отличие от пресной, морская вода содержит много соли. Именно от этого компонента зависит температура, при которой она замерзнет: чем выше концентрация соли, тем ниже должна быть температура. Процесс замерзания морской воды отличается своей спецификой. Сперва образуются первичные ледяные кристаллики, напоминающие по внешнему виду тончайшие иглы. Соли в их составе нет. Она выдавливается из кристаллов. Соответственно, уровень концентрации соли в самой воде значительно повышается, и она не замерзает.
Масса, состоящая из ледяных иголок, может довольно долго дрейфовать по поверхности моря. Если температура продолжает падать, то на поверхности воды может начать образовываться ледяная корка с прозрачной гладкой поверхностью, известная как нилас – морской лед. В его составе соль уже есть. Но располагается она хаотично, поскольку при формировании толщи льда иголки захватывают капли морской воды в произвольном порядке, формируя вкрапления.
Уровень содержания соли в ниласе зависит от температуры воздуха, которая держалась при замерзании. Если мороз был небольшим, и ледяной слой формировался медленно, то иглы успевали захватить незначительное количество воды. И соленость льда будет незначительной. В случае с сильным морозом все происходит наоборот. Когда начинается таяние морского льда, он опресняется, поскольку первой из него выходит соль. Так, полярные льды пресные, и при их растапливании полученную воду можно использовать для питья.
Источник
