Woda musi się ogrzać, żeby... zamarznąć
Woda znajdująca się na zimnej powierzchni zanim zamarznie musi się ogrzać. Odkrycie dokonane przez naukowców z Cambridge University i Uniwersytetu Technologicznego w Grazu pozwoli lepiej zrozumieć i kontrolować proces zamarzania.
Anton Tamtögl i jego zespół przeprowadzili eksperymenty z molekułami wody umieszczonymi na zimnym grafenie i zauważyli, że początkowo odpychają się one od siebie. Dopiero pojawienie się dodatkowej energii pozwala im na zmianę orientacji i utworzenie wiązań elektrostatycznych.
Gdy woda trafia na zimną powierzchnię, zachodzi proces nukleacji, w wyniku którego molekuły tworzą wiązania i błyskawicznie pojawiają się kryształy lodu. Zjawisko to było intensywnie badane w skali makroskopowej. Jednak trudno je badać na poziomie molekuł, gdyż zamarzanie zachodzi bardzo szybko, w czasie pikosekund.
Naukowcy z Cambridge wykorzystali nowatorką technikę badawczą zwaną echem spinowym helu-3. Polega ona na rozpraszaniu strumienia spolaryzowanych atomów helu. Atomy docierają do badanych powierzchni w skoordynowanych pakietach, a czas pomiędzy kolejnymi pakietami mierzony jest w pikosekundach. Ruch molekuł na powierzchni powoduje różnice w fazach pakietów. A różnice te można wychwycić i na ich podstawie badać zjawiska zachodzące w czasie pikosekund.
Badania ujawniły, że początkowo wszystkie molekuły wody przyczepiają się do zimnej powierzchni grafenu w ten sam sposób, z oboma atomami wodoru przy powierzchni i atomem tlenu powyżej. Molekuły wody są dipolami. Od strony tlenu mamy ładunek ujemny, od strony wodoru – dodatni. Tak więc pomiędzy identycznie zorientowanymi molekułami dochodzi do odpychania się, co uniemożliwia nukleację. Naukowcy zauważyli, że zjawisko to może zostać przezwyciężone poprzez ogrzanie molekuł. Dopiero wówczas zmieniają one orientację tak, że zaczynają się przyciągać, co rozpoczyna proces nukleacji.
Naukowcy, chcąc lepiej zrozumieć to zjawisko, przeprowadzili symulacje komputerowe ukazujące zachowanie molekuł wody przy różnych energiach. Zgodnie z ich oczekiwaniami, symulacje wykazały, że zmieniając ilość ciepła dostarczonego do molekuł, można powstrzymywać lub rozpoczynać proces nukleacji.
Odkrycie może doprowadzić do opracowania nowych technik ochrony przed formowaniem się lodu na skrzydłach samolotów, turbinach wiatrowych czy sprzęcie telekomunikacyjnym. Pozwoli też lepiej zrozumieć proces formowania się i topnienia lodu w lodowcach, a to z kolei da nam lepsze zrozumienie ziemskiej kriosfery i wpływu ocieplenia klimatu.
Z wynikami badań można zapoznać się na łamach Nature Communications.
Komentarze (13)
Ergo Sum, 7 czerwca 2021, 16:09
Czy mam rozumieć, że homeopaci jednak mają rację i że woda ma pamięć?
Mariusz Błoński, 7 czerwca 2021, 18:22
A jak
Sławko, 8 czerwca 2021, 09:30
Faktycznie! To wyjaśnia dlaczego "już niewielka utrata wody, bo ok. 1% masy ciała powoduje pogorszenie pamięci i zaburzenia koncentracji!"
Jajcenty, 8 czerwca 2021, 10:16
To wiele wyjaśnia, idę się napić, o ile nie zapomnę po co tu przylazłem do tego kranu :/
peceed, 8 czerwca 2021, 10:35
Efekt Mbempy wyjaśniony
Jajcenty, 8 czerwca 2021, 14:08
No jeśli przyczyną mają być słabe wiązania H+<->O- , to powinno to być widoczne w zależności ciepła właściwego od temperatury. Tymczasem ta zależność jest dość słaba.
Rowerowiec, 23 czerwca 2021, 09:47
Dla mnie to wygląda na coś w rodzaju magnetyzmu lub wody. Cząsteczki wydają się mieć jednak zorientowane pola, a w wyniku ogrzania wydają się układać w uporządkowane polarnie struktury. Pomimo tego że są bipolarne. Ciekawe czy ktoś się temu przyglądał. Bo jak na razie to wszystkie magnetyzery wody i różdżki to w opini nauki, są bzdury. Może warto się przyjrzeć na formowanie się pływającego lodu od tej strony. Czy uporządkowana strukturalnie woda i zamrożona opadła by na dno? Czyste h2o da się zamrozić by nadal było płynne. Pewnie to głupoty, ale warto szukać, bo mało wiemy o wodzie jak widać.
cyjanobakteria, 23 czerwca 2021, 10:18
Różdżki to są na pewno bzdury. Pamiętam, że był eksperyment, gdzie różdżkarzy przewietrzono na pustym, piętrowym parkingu i mieli wskazać w którym miejscu jest woda na poziomie niżej, gdzie było kilkanaście ton wody umieszczone w zbiornikach. Żaden nie wskazał tego prawidłowo. Magia ich zawiodła w kontrolowanym eksperymencie
Kiedyś przypadkiem natrafiłem w necie na film, gdzie ktoś opowiadał jak w USA budował się na pustyni i szukali źródła wody na studnię głębinową. A studnia nie w kij dmuchał, nawet kilkaset metrów głębokości w tych rejonach. Różdżkarz wskazał źródło wody akurat tam, gdzie wcześniej oszacował to geolog! Ot przypadeczek
Edycja!
Wróżbita podał lokalizację wody w innym miejscu, które akurat pasowało właścicielowi bardziej, bo było blisko w dogodnym punkcie na działce. Miejsce wyznaczone przez geologa było 2km(!) od fundamentów budynku. Właściciel więc zaczął wiercić i nic nie znalazł, ale wiercił dalej, bo załączył im się schemat hazardzisty i nie chcieli się wycofać ze stratą. Ale w końcu się poddali, bo już mieli kilkaset metrów odwiertu, którego koszty zaczęły astronomicznie rosnąć. Potulnie wrócili do danych od geologa. Skończyło się na tym, że musieli położyć te 2km rur i zrobić prawidłowy odwiert na krańcu działki 
Chyba było trochę inaczej w drugim przypadku. Pamięć mnie zawodzi
Rowerowiec, 23 czerwca 2021, 11:52
Nie chciałem poruszać tego tematu tak dogłębnie, ale znałem takiego już nieżyjącego księdza (był rolnikiem i w sumie żył bardziej jak zakonnik, bo uprawiał rośliny, hodował zwierzęta i żył ubogo) i ten ksiądz miał taką umiejętność wskazywania wody pod ziemią. Nie było to tak że wzywał jakieś moce czy inne rzeczy, tylko po prostu skupiał się na poszukiwaniu źródeł i jakoś tak czuł gdzie są (przynajmniej tak odpowiedział mojej mamie). Dodam że bardzo dużo studni w mojej miejscowości stoi właśnie dzięki niemu. Czy czuł, czy miał po prostu intuicję jak beduini na pustyni, to trudno wyjaśnić.
cyjanobakteria, 23 czerwca 2021, 13:21
Pewnie miał info od boga
Zaryzykuję stwierdzenie, że wody gruntowe w Polsce są prawie wszędzie, kwestia głębokości, ale nie jestem ekspertem, więc mogę się mylić. Mógł mieć podstawową wiedzę w temacie, bo skoro był zakonnikiem, to umiał czytać. W marę jak przybywało studni w rejonie, to miał coraz lepszą bazę danych, gdzie jest woda i na jakiej głębokości. A nawet jeżeli się pomylił kilka razy, to odeszło to w zapomnienie i przetrwał urban legend, że zakonnik był nieomylny 
Jeżeli woda gruntowa jest płytko, to powinno to być widoczne na powierzchni. Tam gdzie jest niecka woda będzie bliżej powierzchni, etc. Na pustyniach są oazy, ale to ekstremalny przypadek.
Jajcenty, 23 czerwca 2021, 13:26
Ależ wyjaśnienie jest proste. Lodowiec oraz ile razy przez nas przeszedł. Europa jest jak tort, ma warstwy, wystarczy kopać gdziekolwiek. Przypadek opisany przez @cyjanobakteria jest zasadniczo wyjątkiem. Teść wykopał sobie dół pod altankę z piwnicą a potem miał studnię i klął w żywy kamień: "kurde, skąd tu woda?! Przecież to jest na górce?!" Generalnie większość uczciwych kopaczy studni na pytanie gdzie kopać odpowiada: gdzie najwygodniej
cyjanobakteria, 23 czerwca 2021, 14:12
Tak, ta historia działa się na pustyni w USA
Przypomniałem sobie szczegóły. Ktoś kupił działkę kilka km2 na lekko górzystym terenie pustynnym, dlatego mieli problem z wodą. Zrobili błąd i zaczęli budować dom nie mając rozeznania, gdzie jest woda głębinowa na ich działce. Wróżbita naciągnął ich na kwotę, która pokryła by niemałą cześć kosztów normalnego odwiertu w miejscu wskazanym przez geologa/geodetę, nie wspominając o tym, że wykonali niepotrzebny, głęboki i kosztowny odwiert w piachu 
A to dlatego, że geolog/geodeta wskazał miejsce na skraju działki, w dużym oddaleniu i do tego w niecce, skąd musieliby pompować na duży dystans i pod górę. Wróżbita za to zaproponował odwiert blisko przyszłego domu i to się spodobało właścicielowi bardziej 
Ciekawy przypadek myślenia życzeniowego. Nie zdziwiłbym się, jakby okazali się mormonami...
darekp, 23 czerwca 2021, 14:55
To jak u mnie na wsi - dom na niewielkim wzniesieniu, a ma założone dreny, żeby woda odpływała z piwnicy.