• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Czasem odpychanie może... przyciągać

    12.01.2012. 14:47
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl


    Zaskakujące wyniki eksperymentów z mieszaninami, w których dwa różne oddziaływania odpychające prowadziły do silnego przyciągania, udało się wyjaśnić w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie - instytut poinformował o tym w przesłanym PAP komunikacie. 


    Badania pod kierunkiem prof. Aliny Ciach z IChF PAN prowadziła Faezeh Pousaneh z Iranu, doktorantka pracująca w IChF PAN w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

    Badaczki wzięły pod lupę zeszłoroczne eksperymenty z mieszaninami, przeprowadzone na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Rezultaty tamtych badań były zaskoczeniem dla wielu naukowców. Otóż w jednym z obserwowanych tam układów - mieszanin - działała siła odpychająca. Gdy wprowadzono drugą, innego rodzaju siłę odpychającą, układy silnie zaczęły się przyciągać - efekt był odwrotny od oczekiwanego. Naukowcy nie potrafili wyjaśnić dlaczego tak się dzieje. Dopiero badania w IChF PAN pokazały, co może się dziać poczas takiego eksperymentu.

    "Zbudowałyśmy od podstaw model teoretyczny badanego w Niemczech układu i z powodzeniem zweryfikowałyśmy jego przewidywania z wynikami eksperymentów. Dzięki temu potrafimy wyjaśnić, jak złożenie dwóch odpychań przekształca się w przyciąganie" - stwierdziła prof. Alina Ciach.

    Jako układ modelowany w IChF PAN wybrano mieszaninę wody i oleistej cieczy organicznej - lutydyny. W mieszaninie znajdowały się także jony soli. Sam płyn był umieszczony między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową (przyciągającą wodę), a drugą hydrofobową (odpychającą wodę).

    IChF PAN w swoim komunikacie wyjaśnia, że woda z lutydyną mieszają się tylko w pewnym zakresie temperatur. Kiedy układ zbliża się do takiej granicznej temeratury, substancje nie mogą się "zdecydować", czy mają wymieszany, czy rozdzielone. "W tych warunkach warstwa wody przy ściance hydrofilowej robi się stosunkowo gruba, podobnie jak warstwa oleju przy ściance hydrofobowej. A ponieważ woda z olejem się +nie lubią+, pojawia się siła rozpychająca ścianki" - wyjaśniła Faezeh Pousaneh.

    Niecodzienne zachowanie modelowanego układu ujawniało się po przyłożeniu w tych warunkach obu ścianek ładunku elektrycznego tego samego znaku. Między ściankami działało wtedy drugi rodzaj odpychania - odpychanie elektrostatyczne. Mimo to ścianki układu zaczynały się przyciągać. "W ruch poszły kartki i ołówki. Razem z Faezeh, za pomocą obliczeń czysto analitycznych, wyprowadziłyśmy konkretne wzory opisujące przebieg zjawiska" - podkreśliła prof. Ciach.

    Jak informuje IChF PAN, kluczowym elementem modelu okazało się założenie, że jony w roztworze poruszają się wyłącznie w wodzie, unikają zaś lutydyny. Ścianki badanego układu miały ładunek elektryczny, zatem przyciągały ku sobie jony.

    "Ale przy ściance hydrofobowej jest przecież warstwa lutydyny! Zatem jon staje przed dylematem: chce dostać się do ścianki, lecz dostępu do niej broni lutydyna. Tę przeszkodę jon może pokonać tylko w jeden sposób: ciągnąc ze sobą wodę" - mówiła Pousaneh.

    W wyniku opisanego procesu powierzchnia ścianki, wcześniej hydrofobowa, zaczyna zachowywać się jak hydrofilowa, upodabniając się pod tym względem do drugiej ścianki. A dwie ścianki hydrofilowe się przyciągają.

    "Oddziaływania podobne do opisanych przez nas pojawiają się między naładowanymi cząstkami koloidalnymi o selektywnych powierzchniach. W zależności od temperatury, oddziaływania te raz są odpychające, raz przyciągające" - powiedziała prof. Ciach. Okazuje się, że w wąskim zakresie temperatur potencjał przyjmuje minimum dla pewnej odległości między cząstkami, czyli jest podobny do potencjału odpowiedzialnego za ustawianie się atomów w węzłach sieci krystalicznej.

    "Zatem sterując temperaturą będziemy mogli zmusić koloid do wytworzenia określonej struktury. Potem wystarczy ją utrwalić i użyć, na przykład w inżynierii materiałowej" - podkreśla prof. Ciach.

    Badania zrealizowano w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej przy współfinansowaniu z programu Innowacyjna Gospodarka Unii Europejskiej.

    Zespół z IChF PAN zamierza kontynuować badania nad wariantami modelowanych układów.

    PAP - Nauka w Polsce

    lt/ ula/bsz

    Fot.: Doktorantka Faezeh Pousaneh z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w  Warszawie z ,,kuchenną" wersją badanej przez siebie mieszaniny. Owoce  symbolizują drobiny koloidu, białe ziarna - wodę, ciemne - lutydynę, czerwone - jony preferujące wodę. Źródło: IChF PAN, Grzegorz  Krzyżewski



    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (w skrócie IChF PAN) instytut naukowy Polskiej Akademii Nauk z siedzibą w Warszawie. Obecnie tematyka badań w IChF jest skoncentrowana wokół aktualnych problemów fizykochemii. Jednostka ma prawo do nadawania stopnia naukowego doktora oraz doktora habilitowanego w zakresie chemii. Sfera przyciągania – przestrzeń, która otacza ciało niebieskie, wewnątrz której siła przyciągania ciała przewyższa siłę przyciągania ciała sąsiadującego. Sfera przyciągania Księżyca względem Ziemi rozciąga się do wysokości około 44 520 km. Jim Berkland - jest emerytowanym amerykańskim geologiem, twórcą teorii, według której oddziaływania Księżyca i jego pozycja względem Ziemi ma wpływ na występowanie trzęsień Ziemi, spowodowanych wzmożonym przyciąganiem grawitacyjnym tego ciała niebieskiego. Proces miałby przebiegać w sposób analogiczny do powstawania pływów morskich. Według teorii Berklanda siła przyciągania Księżyca miałaby podnosić tę część płyty litosfery, która wsuwa się pod drugą; w wyniku tego dochodzi do drgań skorupy ziemskiej, co skutkuje trzęsieniami ziemi.

    Reakcje pikojądrowe – reakcje jądrowe zachodzące przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach. Przy takich ciśnieniach odległości pomiędzy jądrami są rzędu pikometrów. Przy takich dystansach siła przyciągania jądrowego staje się porównywalna z siłą odpychania elektrostatycznego jąder. Dzięki temu reakcje pikojądrowe nie wymagają wysokich temperatur, bowiem jądra nie muszą mieć dużych energii kinetycznych, aby mogły pokonać barierę odpychania kulombowskiego. Efekty steryczne – grupa zjawisk obserwowanych w chemii, wynikających z faktu, że atomy w cząsteczkach nie są punktami, lecz mają kształt zbliżony do sfery i zajmują określoną objętość w przestrzeni. Jeśli atomy zbliżają się do siebie na odległość mniejszą niż promienie ich sfer elektronowych to może wówczas dojść do reakcji chemicznej lub tylko oddziaływań odpychających zgodnie z regułą Pauliego. Oddziaływania odpychające prowadzą właśnie do efektów sterycznych.

    Niwelacja hydrodynamiczna: Podstawą tego typu niwelacji jest ciecz – woda. Posiada ona tę specyficzna własność, iż dzięki sile oddziaływań międzycząsteczkowych przeciwstawia się siłom mającym za cel zmianę jej objętości, natomiast odwrotnie jest jeżeli chodzi o zmianę jej kształtu. W wyniku tego, też bardzo łatwo ulega wpływom zjawisk naturalnych takich jak: grawitacja ziemska, przyciąganie Słońca i Księżyca, wiatr, ciśnienie atmosfery, ruchu obrotowy Ziemi. Opis tego jak te zjawiska wpływają na powierzchnie wody, i jakie wywołują zmiany określa jakościowo i ilościowo niwelacja hydrodynamiczna. Poznanie tych wpływów pozwala na określenie różnic wysokości między punktami oddzielonymi od siebie przeszkodami które wykluczają użycie tradycyjnych technik pomiaru takich jak: niwelacja geometryczna czy trygonometryczna. Tymi przeszkodami są przede wszystkim szerokie zbiorniki wodne. Kapilara – bardzo cienka rurka, tak cienka, że praktycznie cała ciecz przepływająca przez nią znajduje się w polu oddziaływania sił związanych jej ściankami i cieczy bezpośrednio przylegającej do ścianek, w wyniku czego prędkość poruszania się cząsteczek silnie zależy od odległości od ścianek (profil paraboliczny). W kapilarnych kolumnach do chromatografii gazowej praktycznie wszystkie cząsteczki przepływającego gazu znajdują się w polu oddziaływania fazy stacjonarnej, np. cieczy pokrywającej wewnętrzne ścianki rurki.

    Zjawisko zbliżenia (ang. proximity effect) – zjawisko występujące w układzie dwóch lub więcej przewodników przewodzących prąd przemienny. Najczęściej występuje wspólnie ze zjawiskiem naskórkowości. Na skutek wzajemnego oddziaływania pomiędzy przewodnikami zmienia się w nich rozkład gęstości prądu. Jeżeli prądy płynące w sąsiednich przewodach mają przeciwne kierunki, to następuje przyciąganie nośników prądu (zbliżenie) i gęstość prądu rośnie w częściach przewodów leżących najbliżej siebie. Jeżeli prądy w przewodach mają ten sam kierunek to następuje odpychanie ładunków i gęstość prądu jest wtedy najwyższa w częściach przewodów najbardziej oddalonych od siebie. Zjawisko zbliżenia wpływa na efektywną rezystancję AC przewodów, a w związku z tym na powstające w nich straty mocy. Susza fizjologiczna – okres, w którym roślina nie może pobierać wody z otoczenia, mimo iż woda tam występuje. Bezpośrednią przyczyną jest zbyt wysoki potencjał osmotyczny roztworu glebowego. Ilość pobieranej przez roślinę wody zależny od powierzchni absorbującej i różnicy potencjału wody. Gdy różnica potencjału jest zbyt mała roślina nie pobiera wystarczającej ilości wody.

    Grawitacja (ciążenie powszechne) – jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

    Jezioro episzelfowe – naturalny zbiornik wody słodkiej, powstały przez zamknięcie odpływu wody z doliny (fiordu) przez lodowiec szelfowy. Ze względu na różnicę gęstości, napływająca od góry woda słodka tworzy warstwę na powierzchni gęstszej wody morskiej, sięgającą głębokością aż do podstawy bariery lodowca. Jeziora episzelfowe są unikatowymi zbiornikami wody, jako że nie posiadają stałego dna – fizycznie od dołu jezioro ogranicza warstwa słonej wody.

    Gwiazda zmienna typu Beta Lyrae – układ podwójny zaćmieniowy, którego składniki różnią się między sobą wielkością. Gwiazdy znajdują się w niewielkiej odległości od siebie, przez co są one silnie zdeformowane przez przyciąganie grawitacyjne, z powierzchniami stałego potencjału - a zatem również widoczną powierzchnią - w kształcie elipsoid obrotowych. Okres zmian jasności wynosi kilka lub kilkanaście dni. Układ charakteryzuje się ciągłością zmian krzywej zmian blasku, czego przyczyną jest inny od sferycznie symetrycznego kształt składników. Obydwa minima - główne i wtórne - nie są tak wyraźnie określone jak w gwiazdach o symetrii sferycznej. Badania nad gwiazdami tego typu prowadziła między innymi polska astronom Rozalia Szafraniec.

    Dodano: 12.01.2012. 14:47  


    Najnowsze