РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ХИМИИ TBEPДОГО ТЕЛА
   
| | | | |
| | | |
 06.09.2007   Карта сайта     Language По-русски По-английски
Новые материалы
Экология
Электротехника и обработка материалов
Медицина
Статистика публикаци


06.09.2007

Физики придумали очень тонкий тёплый лёд

4 сентября 2007


 








Иллюстрация четырёх нижних слоёв льда на модифицированной алмазной поверхности. Зелёным показаны атомы углерода, синим — ионы натрия, красным и белым молекулы воды. Расстояние между слоями (разделены пунктирными линиями) 3,7 ангстрема (иллюстрация Harvard University).
Иллюстрация четырёх нижних слоёв льда на модифицированной алмазной поверхности. Зелёным показаны атомы углерода, синим — ионы натрия, красным и белым молекулы воды. Расстояние между слоями (разделены пунктирными линиями) 3,7 ангстрема (иллюстрация Harvard University).





Александр Висснер-Гросс (Alexander Wissner-Gross) и Эфимиос Кахирас (Efthimios Kaxiras) из Гарвардского университета (Harvard University) создали компьютерную модель, которая показала, что, если в поверхность алмаза внедрить ионы натрия, на ней тонкий слой льда не растает даже при температуре человеческого тела.


Учёным и ранее удавалось стабилизировать очень тонкие пласты льда (нанодиапазон) при комнатной температуре различными способами. В данном случае лёд – это упорядоченная структура, а его таяние – процесс разупорядочения молекул воды. Но нынешнее теоретическое исследование показало, как данное явление можно применить в практических целях.


Как пишут в своей статье учёные (она опубликована в журнале Physical Review E, её полную версию вы найдёте здесь, PDF-файл, 433 килобайта), такое ледяное покрытие поможет имплантатам лучше прижиться в организме.




















Аспирант Висснер-Гросс в 2003 году получил в <a href="http://web.mit.edu/">MIT</a> степень бакалавра по физике, электротехнике и математике. А за свою работу по наноструктурным алмазным покрытиям он был удостоен наград <a href="http://www.mrs.org/s_mrs/doc.asp?CID=7922&DID=176884">2007 Graduate Student Silver Award</a> (учредитель Materials Research Society) и <a href="http://ard.huji.ac.il/huard/infoPageViewer.jsp?ardNum=465">2007 Dan David Prize Scholarship</a> (от университета Тель-Авива) (фото с сайта alexwg.org).

Аспирант Висснер-Гросс в 2003 году получил в MIT степень бакалавра по физике, электротехнике и математике. А за свою работу по наноструктурным алмазным покрытиям он был удостоен наград 2007 Graduate Student Silver Award (учредитель Materials Research Society) и 2007 Dan David Prize Scholarship (от университета Тель-Авива) (фото с сайта alexwg.org).


Поясним. Часто для защиты имплантатов (сердечного клапана, различных суставных протезов) используется алмазное покрытие, прежде всего из-за своих износоустойчивых свойств. Однако есть у него и недостатки: алмаз способствует свёртыванию крови и истиранию окружающих тканей (способствует больше, чем такие материалы, как титановые сплавы и нержавеющая сталь).


Если же поверхность алмаза химически модифицировать, то нанесённый на неё ледяной слой не растает даже при температуре человеческого тела и небольшом внешнем давлении. Пластичные и гидрофильные слои льда, поддерживаемые в таком состоянии с помощью столь необычного физического явления, предохранят алмазное покрытие от адсорбции протеинов, а окружающие ткани — от истирания.


Висснер-Гросс и Кахирас изучили все существующие методы стабилизации льда на различных поверхностях и пришли к выводу, что лучше всего для сохранения льда при высоких температурах (выше 0 по Цельсию) подходит алмаз.


У него гидрофильная поверхность, он выращивается в различных поликристаллических модификациях (образцы алмазного покрытия можно вырастить достаточно большими по площади), он не подвергается коррозии. И самое главное — у него минимальное рассогласование параметров кристаллической решётки (всего 2%) с самой распространённой модификацией льда, кристаллизующейся в гексагональной структуре.


Учёные создали компьютерную модель и рассмотрели, как влияет на структуру поверхностного льда подложка из алмаза, в которой часть атомов заменена на ионы натрия (натрий также был выбран неслучайно, подробности читайте в статье).


Модель показала, что взаимодействие ионов натрия и молекул воды противодействует таянию и позволяет сохранить лёд на поверхности даже при комнатной температуре (25 градусов Цельсия). Толщина такого слоя, правда, небольшая — всего 2,6 нанометра (2,2 нанометра при 37 градусах Цельсия), но этого вполне достаточно для создания биологически-совместимого покрытия для находящейся ниже алмазной структуры. Причём средняя температура плавления льда на модифицированной поверхности (она также зависела от ряда условий) оказалась равной 41 градусу Цельсия.


Видео, показывающее, как меняется поведение молекул воды в зависимости от подложки и параметров внешней среды (температуры, например), вы можете посмотреть вот тут (файл MOV, 5,4 мегабайта).


Собственно, заключение о том, происходит ли плавление (таяние) льда или нет, учёные делали, изучая изменение параметра Линдеманна (Lindemann parameter), который они рассчитывали по данным, выдаваемым компьютерной моделью. Если этот параметр сразу после начала моделирования происходящих процессов резко возрастал, то это означало, что структура воды разрушается (лёд тает). Если же его значение не изменяется, то структура стабильна и вода остаётся на поверхности в "замороженном" состоянии.


Читайте также о необычных суперионном и нанотрубочном состояниях воды, а ещё о льде-7 и льде-10, о необычном поведении воды и о том, как учёные предположили, что жидкая вода – это и не жидкость вовсе, а очень пластичный лёд.


А вот эти учёные пристально "рассмотрели" границу раздела вода-лёд и также сделали любопытное открытие.




Дизайн и программирование N-Studio 
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я
  • Chen Wev .  honorary member of ISSC science council

  • Harton Vladislav Vadim  honorary member of ISSC science council

  • Lichtenstain Alexandr Iosif  honorary member of ISSC science council

  • Novikov Dimirtii Leonid  honorary member of ISSC science council

  • Yakushev Mikhail Vasilii  honorary member of ISSC science council

  • © 2004-2019 ИХТТ УрО РАН
    беременность, мода, красота, здоровье, диеты, женский журнал, здоровье детей, здоровье ребенка, красота и здоровье, жизнь и здоровье, секреты красоты, воспитание ребенка рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок медицина, клиники и больницы, болезни, врач, лечение, доктор, наркология, спид, вич, алкоголизм православные знакомства, православный сайт творчeства, православные рассказы, плохие мысли, православные психологи рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок