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 замерзнет при минусовой? ..
Пресная и морская вода замерзают неодинаково из-за различных химических и физических свойств.
Морская вода, в отличие от пресной, не имеет определенной точки замерзания, но она всегда ниже 0°С. Температура замерзания морской воды зависит от ее солености: чем больше соленость, тем ниже температура замерзания. Так, при средней для океана солености 35 % вода замерзает при -1,9°С, а при солености 40% — при -2,2°С. В Черном море, например, где соленость от 15 до 20%, лед появляется при охлаждении воды от -0,8 до -1,1°С.
Когда морская вода охладится до температуры замерзания соответственно своей солености, начинается образование кристаллов льда (замерзание) . При замерзании содержащиеся в морской воде соли не входят в состав кристаллов образовавшегося льда, так как температура замерзания солевого раствора значительно ниже (например, температура замерзания попаренной соли -21°С) . Поэтому большая часть солей выпадает в незамерзающую подледную воду, а некоторое се количество вмерзает в лед в виде мелких капель крепкого раствора солей, существенно влияющих на физико-химические и механические свойства морского льда. Чем ниже температура, при которой замерзает вода, тем больше капель рассола остается в морском льду и тем, следовательно, больше его соленость. Соли, выпадающие в процессе замерзания морской воды в поверхностный слой, увеличивают его соленость, что понижает температуру замерзания.
Температура наибольшей относительной плотности и температура замерзания морской воды с увеличением солености понижаются. При солености 24,7% обе температуры становятся одинаковыми: -1,33°С. Воды, соленость которых меньше 24,7 %, называются солоноватыми, температура их наибольшей плотности выше температуры замерзания. Поэтому процесс замерзания воды соленостью меньше 24,7 % происходит так же, как и пресной воды: сначала вода достигает температуры наибольшей плотности при данной солености, затем точки замерзания.
У воды соленостью более 24,7% температура самой высокой плотности всегда ниже температуры замерзания, поэтому до самого момента замерзания плотность морской воды с понижением температуры увеличивается, и верхние охлажденные слои воды (как более тяжелые) опускаются вниз; на поверхность поднимаются менее плотные и более теплые воды, что затрудняет льдообразование. В связи с этим в морях и океанах пода замерзает только после длительных осенних холодов, когда вся толща воды, охваченная вертикальной циркуляцией (конвекцией) , охладится до температуры замерзания.
Пресная вода имеет наибольшую плотность при +4°С и начинает замерзать при 0°С. В пресноводном бассейне после охлаждения воды до +4°С дальнейшее охлаждение поверхностного ее слоя происходит очень быстро. Вода здесь становится легче нижележащих вод, что исключает перемешивание, следовательно, и поднятие на поверхность более теплых водных масс из глубины. Лед, образовавшийся из пресной воды, представляет собой однородную массу ледяных кристаллов, в которую вкраплены пузырьки воздуха и различные твердые частицы, находившиеся в воде.
Источник
Тайна замерзания водоемов
Лёд на поверхности прудов и озёр — первый признак наступающей зимы. Толстая корка льда, по идее, должна быть тяжелее воды и опускаться на дно водоема. Но происходит все наоборот. Льдины легче, находятся на поверхности и не думают тонуть. Не было бы этого эффекта зимой, то и о катаниях на коньках не было бы и речи. Это всё ясно, но почему вода не замерзает под слоем льда?
Парадокс воды
Вода — одна из немногих субстанций в природе, которая при замерзании не сжимается, а расширяется. Соответственно при кристаллизации масса теряет в весе. Ученые рассчитали, что самую высокую плотность вода имеет при температуре +4 градуса Цельсия.
Как замерзает вода?
Практически все жидкости при охлаждении сжимаются, что приводит к сокращению их объема и увеличению концентрации. Например, твердый воск опускается на дно сосуда с расплавленным воском из-за более высокой массы. Точно так же ведет себя и вода, которую охлаждают до +4 градусов Цельсия. Она сжимается. Но после этой отметки происходит нечто странное. При дальнейшем замораживании, вода вдруг начинает расширяться и становиться менее плотной. Таким образом, лед, полученный заморозкой воды при 0 градусе Цельсия, оказывается легче незамерзшего слоя воды с температурой на 4-5 градуса выше нуля.
Замерзание водоема происходит в несколько этапов:
- Вода охлаждается до +4 градусов Цельсия, становится более плотной и, соответственно, опускается на дно водоема. Теплые слои поднимаются вверх, где также охлаждаются и снова уходят на дно.
- Конвекция несколько замедляется после остужения всех слоев водоема до +4 градусов.
- Дальнейшее понижение температуры в верхней части запускает процесс расширения и уменьшения плотности слоев на поверхности. Опуститься ниже он уже не может, поэтому продолжает замерзать и кристаллизоваться.
- При нулевой температуре верхний слой превращается в лёд, а нижние слои так и остаются в жидком состоянии.
Сохранение плюсовой температуры в нижних слоях водоема дает возможность живым организмам выживать в условиях суровых зим. Ведь если бы этого эффекта не было, то вся фауна и флора погибла бы.
Разница кристаллизации воды и воска
Ледяной кубик воды имеет на поверхности небольшую выпуклость, что связано с процессом замерзания Н2О: с краев в середину. То есть вода в центре кристаллизуется в самую последнюю очередь и за счет давления выдавливает корку наружу.
Воск замерзает в точности наоборот и образует вогнутую поверхность, что связано с процессом равномерного сжатия при кристаллизации.
Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15
* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО
Источник
Физики доказали, что вода может существовать в нескольких жидких состояниях
ТАСС, 19 ноября. Американские ученые впервые получили переохлажденную воду, которая не замерзает при температуре –68 °С. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами. Статью с описанием исследования опубликовал научный журнал Science.
«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить», – рассказал один из авторов исследования, профессор Городского университета Нью-Йорка (США) Николас Джовамбаттиста.
Долгое время ученые считали, что у воды есть лишь одно жидкое состояние. Эти представления начали меняться на рубеже веков, когда ученые обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от того, в какую стороны «повернуты спины атомов водорода», а также раскрыли различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды, параводы и ортводы.
Аналогичным образом ученые при проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, предположили, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах, фазовых состояниях, обладающих сравнительно низкой и высокой плотностью. Трудности с их отделением друг от друга породили массу споров о том, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.
Скрытое многообразие форм воды
Эти проблемы, как объясняет профессор Джовамбаттиста, связаны с тем, что теория предсказывает, что вода будет находиться в двух четко отделимых фазовых формах только при сверхнизких температурах (около –60 °С), при которых она находится в так называемом переохлажденном виде.
Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих –48 °С, если удалить из нее все примеси и охлаждать ее очень быстро. В теории вода может оставаться жидкостью и при более низких температурах, составляющих около минус 70 градусов Цельсия, однако добиться этого крайне сложно.
Американские физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера, способного вырабатывать очень мощные, но при этом сверхкороткие импульсы теплового излучения.
Данные вспышки света были настолько непродолжительными, что плотность образца воды не менялась при таянии льда, что впервые позволило ученым увидеть то, как формируется вода высокой плотности и проследить за ее превращением — фазовым переходом — в воду легкой плотности, подсвечивая растаявший лед при помощи рентгеновского лазера.
Эти наблюдения подтвердили, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также показали, что плотная вода была примерно на 20% тяжелее, чем ее легкая разновидность. При определенных условиях, как показывают расчеты Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом. Иными словами они будут взаимодействовать примерно так же, как обычная вода и масло, формирующие два четких слоя, если их налить в один и тот же сосуд.
«Пока не понятно, как присутствие двух типов воды будет влиять на поведение различных растворов и реакций между ними, в том числе и внутри живых организмов. Это толкает нас на проведение новых экспериментов с этими фазовыми состояниями жидкой воды», — подытожил профессор.
Источник
