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Posted in | Microscopy

Definir exactamente qué pasa cuando el hielo se congela

Published on August 6, 2008 at 5:57 PM

"Vosotros canna cambiar las leyes de la física!" Scotty advirtió el capitán Kirk en "Star Trek". Pero los ingenieros y físicos de la Universidad de Maryland, puede volver a escribir uno de ellos.

La tercera ley de la termodinámica es en la mente de John Cumings, profesor asistente de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de Maryland Escuela de A. James Clark, de Ingeniería, y su grupo de investigación, ya que examinar la estructura de red cristalina del hielo y tratar de definir exactamente lo que sucede cuando se congela.

"Desarrollo de un modelo preciso de hielo ayudan a los arquitectos, ingenieros civiles, ingenieros ambientales y comprender lo que sucede con las estructuras y los sistemas expuestos a condiciones de congelación", dijo Cumings. "También podría ayudar a comprender y predecir mejor el movimiento de los glaciares".

Entender el proceso de congelación no es tan sencillo como puede parecer. El equipo tuvo que desarrollar un tipo de pseudo-hielo, en lugar de usar hielo real, con el fin de hacer.

A pesar de ser uno de los materiales más abundantes en la Tierra, el agua, en particular la forma en que se congela, no se conoce completamente. La mayoría de las personas a aprender que a medida que caen las temperaturas, las moléculas de agua se mueven más lentamente, y que a temperaturas inferiores a 32 º F / 0 º C, que encajen en su lugar, la creación de un hielo sólido. Lo que está pasando a nivel molecular, dice Cumings, es mucho más complicado y problemático. Por un lado, parece estar en conflicto con una ley fundamental de la física.

La Tercera Ley de la Termodinámica que a medida que la temperatura de una sustancia pura se mueve hacia el cero absoluto (la temperatura más baja matemáticamente posible) su entropía, o el comportamiento desordenado de sus moléculas, también se aproxima a cero. Las moléculas se alinean de una manera ordenada.

El hielo parece ser la excepción a esa regla. Mientras que los átomos de oxígeno en el hielo congela en una estructura cristalina ordenada, sus átomos de hidrógeno no lo hacen.

"Los átomos de hidrógeno dejan de moverse," Cumings explica, "sino que simplemente dejan de donde, por casualidad, se encuentran, en diferentes configuraciones a través del cristal sin correlación entre ellos, y no uno solo disminuye la energía suficiente para asumir el control y reducir la entropía de cero ".

Así es la tercera ley realmente una ley, o más de una directriz?

"Es una cuestión fundamental grande", dice Cumings. "Si hay una excepción, es una regla de oro".

Los materiales que violan la Tercera Ley, escritos originalmente, fueron encontrados en la década de 1930, en su mayoría no-cristalino sustancias tales como vidrios y polímeros. La tercera ley fue reescrito para decir que se mueve todo el material cristalino puro "entropía a cero cuando la temperatura de su movimiento hacia el cero absoluto. El hielo es cristalino, pero parece que sólo los átomos de oxígeno obedecer la ley. Durante períodos muy largos de tiempo ya temperaturas extremadamente bajas, sin embargo, completamente de hielo puede propia orden, pero esto es algo que los científicos todavía tienen que demostrar.

Creación de un modelo preciso de hielo para estudiar ha sido difícil. El estudio de la red cristalina de hielo requiere un mantenimiento preciso de temperaturas por debajo de la del nitrógeno líquido (-321 ° F/-196 ° C), y también un montón de tiempo: no se sabe cuánto tiempo toma para que el hielo para llegar en última instancia, un estado ordenado -o si lo hace en absoluto. Los experimentos han demostrado que si el hidróxido de potasio se agrega al agua, se cristalizan en una forma ordenada, pero los investigadores no saben por qué, y la suma no debería ser necesaria debido a la afirmación de la tercera ley de que las sustancias puras deben ser solicitados a medida que congelación.

Para superar estos problemas, los científicos han diseñado meta-materiales, que tratan de imitar el comportamiento del hielo, sino que son creados a partir de sustancias completamente diferentes. Un material anterior, giro de hielo, fue diseñado a partir de elementos de tierras raras y tiene una estructura molecular parecidos al hielo, con átomos magnéticos (giros) que representa la posición de los átomos de hidrógeno. Sin embargo, no siempre se comportan como el hielo.

El grupo Cumings está refinando un sucesor para hacer girar el hielo llamado hielo de espín artificial, que fue originalmente iniciado por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania. El más reciente meta-material toma la idea un paso más allá.

"La investigación girar el hielo inicial fue de una parte de la tabla periódica para un sistema más flexible", dijo Cumings. "Pero el hielo artificial giro se sale de la tabla periódica por completo."

Giro de hielo artificial es una colección de "pseudo-átomos", hecha de una aleación de níquel-hierro. Cada pseudo-átomo es un modelo a gran escala hecha de millones de átomos cuyo comportamiento colectivo imita a la de uno solo.

Al igual que el hielo de espín original, los campos magnéticos son sustitutos de los átomos de hidrógeno. De trabajo en este "gran" escala cada átomo de seudo-100x30 nanómetros de tamaño (100 nanómetros es 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano), da el control de los investigadores sobre el material y la libertad para explorar cómo se comportan los átomos reales.

"Se imita el comportamiento de hielo real, pero es completamente Con diseños con propiedades específicas", dijo Cumings. "Podemos cambiar la intensidad de la rotación o reformular la aleación para cambiar las propiedades magnéticas, lo que crea nuevas propiedades a granel que, o bien no pudo obtener de los materiales normales, o no podía controlar a nivel atómico."

El equipo también es capaz de fotografiar el comportamiento de los átomos de hidrógeno seudo usando un microscopio de electrones, como la observación directa no es posible con el hielo de espín original o de hielo real.

"Esta es la primera vez que las reglas de comportamiento del hielo alguna vez ha sido rigurosamente confirmada directamente por contar los átomos de hidrógeno seudo", explicó el miembro del grupo y el investigador asociado postdoctoral Todd Brintlinger. "Podemos rastrear la posición y movimiento de cada átomo de pseudo-en nuestro modelo, ver dónde se producen defectos en la red, y simular lo que sucede en períodos de tiempo más largo."

El impacto final de la investigación puede ir más allá de la ingeniería civil y el medio ambiente. "Aunque estamos imitando el comportamiento de hielo", explicó Cumings, "nuestra meta-materiales es muy similar al patrón en el disco duro multimedia. Magnetic 'bits' utilizado en los discos duros suelen ser colocados al azar, pero la densidad de la memoria podría ser mayor si estuvieran en un patrón estricto y regular en su lugar.

"Hemos encontrado que tanto el hidrógeno en el hielo y el hidrógeno pseudo-en nuestro giro de hielo artificial también se comportan en forma de bits, puede llevar la información, e interactuar con los demás. Quizás en el futuro, los ingenieros se sientan inspirados por esta en su disco duro diseños. Los patrones formales y las interacciones en realidad poco puede ayudar a estabilizar la información, en última instancia conduce a las unidades con una capacidad mucho mayor. "

Last Update: 4. October 2011 14:01

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