Cuando el hielo se derrite demasiado rápido en su bebida, queda un desastre aguado. Cuando se derrite demasiado rápido en su experimento científico, no le queda nada. En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE, los científicos realizan estudios detalladossobre la naturaleza del agua, que afecta a casi todos los aspectos de la vida en el planeta. Pero el agua desapareció antes de que pudieran comenzar los experimentos que requerían un vacío ultra alto. Así que el Dr. Greg Kimmel y sus colegas idearon un nuevo método. Permite que el agua se quede.y produce una "película de stop action"
Utilizando esta técnica, capturaron el movimiento del agua cada 10 nanosegundos, o centésima millonésima de segundo. Descubrieron que los pequeños cristalitos de hielo derretido forman charcos de agua que eventualmente se extienden por la superficie ". Algunas teorías postulaban que el agua nomojó la superficie del agua, pero descubrimos que las gotas de agua realmente se extienden y cubren la superficie ", dijo Kimmel, quien dirigió la investigación financiada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Por qué importa : Controlar las interacciones anómalas entre el agua y las superficies podría alterar en gran medida la forma en que diseñamos recubrimientos y abordar los problemas de energía de la nación. Las interacciones del agua son vitales para las celdas de combustible, convertir los desechos agrícolas en combustibles y comprender la formación de nubes para los patrones climáticos y globales.cambio climático.
Este estudio describe en detalle cómo el agua interactúa con las superficies en la nanoescala. Como referencia, una hoja de papel tiene un grosor de aproximadamente 100,000 nanómetros. Si la descripción científica de cómo funciona el agua en la nanoescala no es completa y precisa, socava los cálculosy predicciones para estructuras más grandes que involucran agua, ya sean nubes o celdas de combustible.
Métodos : Cambiar el comportamiento del agua a nanoescala podría cambiar el funcionamiento de las baterías o los combustibles. Para cambiar el comportamiento, los científicos primero deben comprender el comportamiento del agua. Durante años, los científicos de PNNL se han centrado en cómo el agua moja una superficie: ¿fluye a través oquedarse en charcos?
La respuesta a esa pregunta a menudo requiere datos de instrumentos que someten las muestras a aspiradoras ultraaltas. Desafortunadamente, cuando el hielo se calentó para formar agua dentro de dichos instrumentos, el agua se evapora rápidamente de la superficie.
Para averiguar cómo se comportó el agua líquida, pasaron 2 años desarrollando una forma de estudiarla en ultra alto vacío. Kimmel y sus colegas idearon un enfoque para derretir el hielo y volver a congelarlo rápidamente, permitiéndoles analizarlo con diferentes instrumentos.
Formaron cristalitos de hielo en una superficie de platino a temperaturas de 100 Kelvin, o -279 ° F. Calentaron el sistema con ráfagas rápidas de un láser, calentando la superficie del metal a 290 K durante 10 nanosegundos, que es mucho tiempodesde un punto de vista molecular. El calor derritió el hielo, y las moléculas de agua se movieron y se reorganizaron. La transferencia rápida de calor a la mayor parte del metal frío luego volvió a congelar la muestra, apagando el movimiento del agua líquida. Analizaron la muestra en instrumentos de ultra alto vacío..
"Este método nos da una forma de tomar una película de hielo cristalino, derretirla, evolucionar durante 10 nanosegundos, apagarla e interrogarla con técnicas de caracterización", dijo Kimmel.
Descubrieron que el pulso de calor convierte los cristales de hielo, que son islas heladas de 10 a 20 capas moleculares de grosor y unos 20 a 30 nanómetros de diámetro, en gotas de agua a nanoescala que inicialmente no humedecen la superficie. Eventualmente, las gotas se dispersany cubre la superficie, creando una película que tiene varias capas de moléculas de espesor.
¿Qué sigue? Los investigadores están llevando a cabo experimentos que profundizan en el comportamiento anómalo del agua sobreenfriada y líquida utilizando su nueva técnica.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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