Naukowcy ustalili nowy standard temperatury zamarzania wody na poziomie -70°C

Naukowcy odkryli kolejny zdumiewający aspekt dziwnego i cudownego zachowania wody – tym razem, gdy zostali wystawieni na uwięzienie w nanoskali w temperaturach poniżej zera.

W czasopiśmie opublikowano odkrycie, że krystaliczna substancja może z łatwością wydzielać wodę w temperaturach tak niskich jak -70°C. Natura 12 kwietnia będzie to miało duże implikacje dla rozwoju materiałów przeznaczonych do wydobywania wody z atmosfery.

Zespół chemików supramolekularnych ze Stellenbosch University (SU), składający się z dr Alana Eby’ego, profesor Katherine Esterhosen i profesor Lynne Barbour, dokonał odkrycia, próbując zrozumieć dziwne zachowanie rodzaju kryształu, który jako pierwszy wzbudził ich zainteresowanie. dziesięć lat temu.

„Naukowcy są obecnie bardzo dobrzy w projektowaniu materiałów, które mogą wchłaniać wodę” – wyjaśnia Barbour. „Jednak bardzo trudno jest sprawić, by te substancje (które nazywamy „hydratami”) uwalniały wodę bez konieczności dostarczania energii w postaci ciepła. Jak wszyscy wiemy, energia jest droga i rzadko jest całkowicie „zielona”. ”

Związek chemiczny, o którym mowa, został pierwotnie zsyntetyzowany przez profesora Marcina Kueta, który specjalizuje się w stereochemii organicznej na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Polsce. Został następnie skrystalizowany i przewieziony do laboratorium Barboura do dalszych badań przez habilitację dr Agnieszkę Janiak. Wynikało to głównie z zainteresowania Barboura cząsteczkami w kształcie pierścieni i sposobem, w jaki tworzą kanały po zgrupowaniu w kryształy.

Janiac zauważył, że w niektóre dni kryształy były żółte, aw inne czerwone. Nie trzeba było długo czekać, aby dowiedzieć się, że kryształy zmieniają kolor na czerwony tylko w dni o wilgotności powyżej 55%. Kiedy poziom wilgoci spadnie poniżej tego poziomu, kryształy żółkną.

„To zachowanie było nie tylko niezwykłe”, wyjaśnia Barbour, „zachodziło również bardzo szybko. Wydaje się, że kryształy wchłaniały wodę równie szybko przy wysokiej wilgotności, jak traciły ją z powrotem przy niskiej wilgotności. Chociaż znamy materiały zaprojektowane wchłaniać wodę, to jest niezwykłe.” Bardzo łatwo jest stracić materiał, który równie łatwo wchłania wodę.

Dlaczego te kryształy mają tak szczególne właściwości? To pytanie zapoczątkowało trwające prawie dziesięć lat dochodzenie, które początkowo koncentrowało się na wyjaśnieniu mechanizmu zmiany koloru. Teoretyczne modelowanie przeprowadzone przez Esterhuysena i studenta MS Dirkie Myburgha wykazało, że absorpcja wody powoduje subtelne zmiany we właściwościach elektronowych kryształów, powodując ich czerwienienie. Przy tak niezwykłych właściwościach Barbour był przekonany, że kryształy będą miały również inne interesujące właściwości.

To było wtedy, gdy dr hab. Student Alain Aibi zaczął zagłębiać się w materiał. Początkowo koncentrował się na badaniach temperatury pokojowej w ramach badań swojego magistra, ale później zwrócił uwagę na pomiary właściwości w niższych temperaturach, kiedy przystąpił do uzyskania stopnia doktora. Trzy lata temu. Chciał wiedzieć, jak kryształy zachowywałyby się pod wpływem różnych temperatur i poziomów wilgotności: „Zmiana koloru zaintrygowała mnie i chciałem zbadać, co dzieje się na poziomie atomowym” — wyjaśnia.

Dowiedziawszy się o rozwoju narzędzi i metod od Barboura, zaczął stosować niestandardowe techniki, aby zrozumieć mechanizmy wchłaniania i uwalniania wody w materii.

Pewnego dnia zauważa, że ​​w temperaturze poniżej zera stopni Celsjusza dzieje się coś dziwnego. „Zauważyłem, że kryształ nadal zmienia kolor w temperaturach poniżej zera. Na początku myślałem, że coś jest nie tak z ustawieniem pilota lub regulatorem temperatury, ponieważ hydraty kryształów nie powinny uwalniać wody w tak niskich temperaturach” – wyjaśnia. .

Po wielu rozmowach i przerwach na kawę z Barbourem i Esterhuysenem oraz kilkukrotnym dopracowaniu konfiguracji eksperymentu zdali sobie sprawę, że obserwacje Alana można wytłumaczyć wąskimi kanałami w materiale. Kanały w krysztale mają szerokość zaledwie nanometra – jedną tysięczną średnicy ludzkiego włosa.

Już na poziomie nanoskali wiadomo było, że woda może pozostawać w ruchu w kanałach w temperaturach poniżej 0°C. Jednak to badanie wykazało po raz pierwszy, że takie kanały mogą również umożliwiać pobieranie I Uwalnianie wody w temperaturach znacznie poniżej normalnej temperatury zamarzania.

Aby zrozumieć ten proces, Ebbe przeprowadził obszerną i systematyczną serię badań dyfrakcji rentgenowskiej czerwonych i żółtych kryształów w różnych temperaturach i wilgotności. To pozwoliło mu skonstruować, z dokładnością w skali atomowej, wygenerowany komputerowo „film” tego, co dzieje się z kanałami podczas chłodzenia lub ogrzewania oraz w obecności lub nieobecności wody. Ta animacja wskazywała, że ​​cząsteczki wody w nanokanałach poruszały się swobodnie aż do ochłodzenia do -70°C, w którym to momencie przechodziły „odwrotne zdarzenie strukturalne”, przypominające stan szklisty. To „zeszklenie” ostatecznie powoduje uwięzienie wody w materiale w temperaturach poniżej -70°C.

Gdyby nie zmieniające kolor zachowanie kryształów, nie zdałyby sobie sprawy ze zdolności do utraty wody w ekstremalnie niskich temperaturach. „Kto wie”, mówi Barbour, „może istnieć wiele innych materiałów, które mają zdolność pochłaniania i uwalniania wody w bardzo niskich temperaturach, takich jak MOF i kowalencyjne struktury organiczne.

„Po prostu o nich nie wiemy, bo nie mogliśmy ich zwizualizować. Teraz, gdy wiemy, że takie zachowanie jest możliwe, otwiera to zupełnie nowy obszar badań i potencjalnych zastosowań. Naukowcy mogą wykorzystać te nowe informacje do identyfikacji materiałów” o podobnych właściwościach, a także wykorzystywać opracowane przez nas zasady dostrajania uwalniania wody w niższych temperaturach, co może prowadzić do znacznego obniżenia kosztów energetycznych pozyskiwania wody do atmosfery, z konsekwencjami dla społeczeństwa i środowiska, ” podsumowuje.