Вода может вести себя как жидкий кристалл
Ученые из Стокгольмского университета обнаружили, что вода может демонстрировать поведение, подобное поведению жидкого кристалла при освещении лазерным светом.
Этот эффект возникает из-за выравнивания молекул воды, которые демонстрируют смесь молекул с низкой и высокой плотностью, более или менее склонных к выравниванию.
Результаты, представленные в Physics Review Letters , основаны на комбинации экспериментальных исследований с использованием рентгеновских лазеров и молекулярного моделирования.
Жидкие кристаллы считались просто научной фантазией, когда они были впервые обнаружены в 1888 году. Спустя более 100 лет они стали одной из наиболее широко используемых технологий, присутствующих в цифровых дисплеях (ЖК-дисплеях) часов, телевизорах и экранах компьютеров.
Жидкие кристаллы работают, применяя электрическое поле , которое заставляет соседние молекулы жидкости выстраиваться, напоминая кристалл. Вода также может искажаться в сторону жидкого кристалла при освещении лазерным светом.
Известно, что электрическое поле лазера может выстраивать молекулы воды менее чем за миллиардную долю секунды. Может ли это открытие найти технологическое применение в будущем?
Международная группа исследователей на физическом факультете Стокгольмского университета провела эксперименты на японском рентгеновском лазере на свободных электронах SACLA и впервые исследовала динамику кратковременно ориентированных молекул с помощью рентгеновских импульсов.
Этот метод основан на выравнивании молекул с помощью лазерного импульса (с длиной волны λ = 800 нм) и зондировании совмещения с помощью импульсов рентгеновского излучения, что позволяет видеть в реальном времени изменения в структуре на молекулярном уровне. Изменяя время между лазерным и рентгеновским импульсами, исследователи смогли разрешить выровненное состояние, которое живет всего 160 фс.
«Известно, что молекулы воды выровнены из-за поляризации лазерного импульса », - объясняет Кён Хван Ким, бывший исследователь Стокгольмского университета и в настоящее время доцент Университета POSTECH в Корее, «это уникальная возможность, однако, возможность использовать рентгеновские лазеры, чтобы видеть выравнивание молекул в реальном времени ».
Рентгеновские лучи идеально подходят для исследования молекул, потому что их длина волны совпадает со шкалами молекулярных длин, - говорит доктор Александр Спах, бывший аспирант по физике в Стокгольмском университете, а в настоящее время - постдок в Стэнфордском университете. Нам действительно нравится иметь возможность использовать внедренные рентгеновские установки для исследования фундаментальных вопросов , которые могли бы в будущем технологических приложений.
Эксперименты были хорошо воспроизведены с помощью молекулярного моделирования, которое дало понимание лежащего в основе механизма выравнивания. Предполагая, что вода ведет себя как жидкость с двумя состояниями, состоящая из жидких доменов высокой и низкой плотности (ЛПВП и ЛПНП), исследователи обнаружили, что каждый домен проявляет различную тенденцию к выравниванию.
«Молекулы воды в областях ЛПНП имеют более прочную сеть водородных связей, что позволяет молекулам легче реагировать на сильное лазерное поле», - объясняет Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «Было бы интересно измерить время жизни молекулярного выравнивания в режиме переохлаждения, когда все, как ожидается, резко замедлится».
«Способность понимать воду на молекулярном уровне, наблюдая за изменениями сети водородных связей, может сыграть важную роль в биологической активности», - говорит Фивос Перакис, доцент кафедры физики Стокгольмского университета. «Мне любопытно посмотреть, может ли наблюдаемое выравнивание привести к технологическим применениям в будущем, например, в связи с очисткой и опреснением воды».
Источник - https://earth-chronicles.ru/news/2020-08-12-143092
.
Найдено вещество, превращающее CO2 и воду в этанол
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, работающие с Университетом Северного Иллинойса, обнаружили новый катализатор, который может преобразовывать углекислый газ и воду в этанол с «очень высокой энергоэффективностью, высокой селективностью для желаемого конечного продукта и низкой стоимостью».
Новый катализатор изготовлен из атомарно диспергированной меди на основе из углеродного порошка и действует как электрокатализатор, находясь в электрическом поле низкого напряжения, когда вода и диоксид углерода проходят через него. Реакция разрушает эти молекулы, а затем выборочно перестраивает их в этанол с электрокаталитической селективностью, (или «фарадеевской эффективностью») свыше 90%. Команда утверждает, что это «намного выше, чем любой другой зарегистрированный процесс такого рода».
После создания этанола его можно использовать в качестве добавки к топливу или в качестве промежуточного продукта в химической, фармацевтической и косметической промышленности. Использование его в качестве топлива было бы примером «круговой углеродной экономики», в которой CO2, уловленный из атмосферы, эффективно возвращается обратно по мере сжигания.
Если в процессе используется возобновляемая энергия, тогда ситуация еще лучше; все, что будет утеряно в процессе - это пресная вода. Само по себе это обстоятельство является проблемой, но ее можно решить. Но на практике намного лучше управлять электромобилем, чем автомобилем, работающим на бензине и использующим этот этанол в качестве добавки. Хотя его эффективность по Фарадею может быть превосходной, общая электрическая эффективность не будет такой же; передача того же количества энергии в батарею даст больше энергии для вращения колес, потому что двигатели внутреннего сгорания ужасно неэффективны по сравнению с электрическими силовыми агрегатами. На этой стадии катализа также будут наблюдаться дополнительные (и существенные) потери мощности на этапах промышленного улавливания и транспортировки углерода.
На данном этапе также невозможно предсказать, каковы могут быть затраты. Уже существует ряд синтетических видов топлива, использующих каталитически улавливаемый диоксид углерода; например Carbon Engineering - одна из фирм, которая извлекает CO2 из воздуха для создания синтетической нефти, которая может быть переработана, например, в авиационное топливо высокой чистоты.
Такое синтетическое топливо должно конкурировать с обычным ископаемым бензином по цене. Не зная, как этанол, улавливающий углерод, конкурирует с биоэтанолом и другими видами топлива, сейчас очень трудно сказать, будет ли у проекта коммерческий успех и станет ли он тем фактором, который существенно изменит топливную индустрию.
Источник - https://earth-chronicles.ru/news/2020-08-12-143107
.
О других необычных свойствах Воды смотрите -
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной