Shkencëtarët identifikojnë pikë referimi të re për pikën e ngrirjes së ujit në -70 gradë celcius

Shkencëtarët kanë zbuluar një aspekt tjetër mahnitës të sjelljes së çuditshme dhe të mrekullueshme të ujit – këtë herë kur i nënshtrohet izolimit në shkallë nano në temperatura nën zero.

Zbulimi se një substancë kristalore mund të heqë dorë nga uji në temperatura deri në -70 °C, botuar në revistën Nature më 12 prill, ka implikime të mëdha për zhvillimin e materialeve të dizajnuara për të nxjerrë ujin nga atmosfera.

Një ekip kimistësh supramolekularë në Universitetin Stellenbosch (SU), i përbërë nga Dr. Alan Eaby, Prof. Catharine Esterhuysen dhe Prof. dhjetë vjet më parë.

“Shkencëtarët janë aktualisht të aftë në projektimin e materialeve që mund të thithin ujin,” shpjegon Barbour. “Megjithatë, është shumë më e vështirë që ato materiale (ne i quajmë “hidrate”) që më pas të lëshojnë ujin pa pasur nevojë të furnizojnë energji në formën e nxehtësisë. Siç e dimë të gjithë, energjia është e shtrenjtë dhe rrallëherë plotësisht “e gjelbër”. “

Komponimi kimik në fjalë u sintetizua fillimisht nga Prof. Marcin Kwit, një specialist në stereokiminë organike në Universitetin Adam Mickiewicz në Poloni. Më pas u kristalizua dhe u soll në laboratorin e Barbour për studim të mëtejshëm nga kolegia postdoktorale Dr. Agnieszka Janiak. Kjo ishte kryesisht për shkak të interesit të Barbour për molekulat në formë unaze dhe se si ato formojnë kanale kur paketohen së bashku në kristale.

Janiak vuri re se kristalet ishin të verdha në disa ditë dhe të kuqe në disa ditë. Nuk iu desh shumë kohë për të kuptuar se kristalet do të bëheshin të kuqe vetëm në ditët me nivele lagështie më të larta se 55%. Kur nivelet e lagështisë bien nën këtë nivel, kristalet do të kthehen në të verdhë.

“Jo vetëm që kjo sjellje ishte mjaft e pazakontë,” shpjegon Barbour, “ajo po ndodhte gjithashtu shumë shpejt. Duket se kristalet po thithnin ujin aq shpejt në lagështi të lartë sa po e humbnin përsëri në lagështi të ulët. Ndërsa ne jemi njohur me materialet e projektuara për të thithur ujin, është shumë e pazakontë që një material që thith ujin lehtësisht ta humbasë atë po aq lehtë”.

Pse këto kristale kanë veti kaq të veçanta? Kjo pyetje nisi një hetim gati dhjetëvjeçar, i cili fillimisht u fokusua në shpjegimin e mekanizmit pas ndryshimit të ngjyrës. Modelimi teorik nga Esterhuysen dhe studentja e MSc-së, Dirkie Myburgh, tregoi se marrja e ujit shkakton ndryshime të lehta në vetitë elektronike të kristaleve, duke bërë që ato të kthehen në të kuqe. Me këto veti të jashtëzakonshme, Barbour ishte i bindur se kristalet do të kishin edhe veti të tjera interesante.

Kjo është kur Ph.D. studenti Alan Eaby filloi të merrej me materialin. Fillimisht ai ishte fokusuar në studimet e temperaturës së dhomës për studimin e tij MSc, por më vonë do ta kthente vëmendjen në matjen e vetive në temperatura më të ulëta kur filloi doktoraturën. tre vjet më parë. Ai donte të dinte se si do të silleshin kristalet kur i nënshtroheshin temperaturave dhe niveleve të ndryshme të lagështisë: “Unë isha i intriguar nga ndryshimi i ngjyrës dhe doja të eksploroja se çfarë po ndodhte në shkallën atomike,” shpjegon ai.

Pasi mësoi për zhvillimin e instrumenteve dhe metodave nga Barbour, ai filloi të përdorte teknika jo standarde për të kuptuar mekanizmat e marrjes dhe lëshimit të ujit në material.

Një ditë, ai vuri re diçka të çuditshme që po ndodhte në temperatura nën zero gradë Celsius. “Vura re se kristali ende ndryshonte ngjyrën në temperatura nën zero. Fillimisht mendova se kishte diçka që nuk shkonte me konfigurimin eksperimental ose kontrolluesin e temperaturës, pasi hidratet e kristalit nuk supozohet të lëshojnë ujë në temperatura kaq të ulëta,” shpjegon ai.

Pas shumë bisedave dhe pushimeve për kafe me Barbour dhe Esterhuysen, dhe duke ndryshuar disa herë konfigurimin eksperimental, ata kuptuan se vëzhgimet e Alan mund të shpjegoheshin nga ngushtësia e kanaleve në material. Kanalet në kristal janë vetëm një nanometër të gjerë – një e mijëta e diametrit të një floku të njeriut.

Dihej tashmë se, në shkallë nano, uji mund të mbetet i lëvizshëm brenda kanaleve në temperatura nën 0°C. Megjithatë, ky studim tregoi për herë të parë se kanale të tilla mund të lejojnë gjithashtu marrjen dhe çlirimin e ujit në temperatura shumë nën pikën e tij normale të ngrirjes.

Për të kuptuar këtë proces, Eaby ndërmori një seri të gjerë, sistematike studimesh të difraksionit me rreze X të kristaleve të kuqe dhe të verdhë në temperatura dhe lagështi të ndryshme. Kjo e lejoi atë të ndërtonte një “film” të gjeneruar nga kompjuteri, me rezolucion në shkallë atomike, për atë që ndodh me kanalet gjatë ftohjes ose ngrohjes, dhe në prani ose mungesë të ujit. Këto animacione treguan se molekulat e ujit në nanokanale lëvizin lirshëm derisa të ftohen në -70 °C, me ç’rast ato i nënshtrohen një “ngjarjeje strukturimi të kthyeshëm” për t’i ngjasuar një gjendje xhami. Ky “tranzicion i qelqit” në fund të fundit bën që uji të bllokohet në material në temperatura nën -70°C.

Nëse nuk do të ishte për sjelljen e kristaleve në ndryshimin e ngjyrës në radhë të parë, ata nuk do të ishin të vetëdijshëm për aftësinë e humbjes së ujit në temperaturë shumë të ulët. “Kush e di,” thotë Barbour, “mund të ketë shumë materiale të tjera atje me aftësinë për të thithur dhe lëshuar ujë në temperatura shumë të ulëta, të tilla si korniza metalo-organike dhe korniza organike kovalente.

“Ne thjesht nuk dimë për të sepse nuk kemi qenë në gjendje ta vizualizojmë atë. Tani që e dimë se një sjellje e tillë është e mundur, ajo hap një fushë krejtësisht të re kërkimi dhe aplikimesh të mundshme. Studiuesit mund ta përdorin këtë informacion të ri për të identifikuar të tjerë materialet me veti të ngjashme, dhe gjithashtu përdorin parimet që kemi zhvilluar për të rregulluar me saktësi çlirimin e ujit në temperatura të ulëta. Kjo mund të çojë në reduktime dramatike në kostot energjetike të grumbullimit të ujit atmosferik, me implikime për shoqërinë dhe mjedisin.” përfundon.