Hitro proti počasi vodi - razlaga krhki-do-močan prehod

Ken O'keefeThe People's voice Middle East show 2 with subtitles (Junij 2019).

Anonim

Japonska raziskovalna ekipa, ki jo je vodila Univerza v Tokiu, je raziskala krhko močan prehod vode. Za razliko od večine tekočin, ko se voda ohladi, stopnja povečanja njegove viskoznosti doseže največ pri določeni nizki temperaturi. Ekipa je pokazala, da je voda za modeliranje kot temperaturno odvisna mešanica dveh državno razporejenih hitrih voda in lokalno naročenih počasnih voda - pojasnila krhki-do-močan prehod in izognili napačnim napovedim prejšnjih teorij na podlagi steklastega vedenja.

Voda je čudna na več načinov. Nekatere njegove kemične quirks so znane, kot je širjenje, ko se zamrzne do ledu. Manjša znana radovednost, ki jo deli le z nekaj drugimi tekočinami, je krhki do močan prehod. Razlaga tega vedenja, ki se nanaša na to, kako hladna voda teče, je že dolgo vir razprave. Zdaj so raziskovalci v Tokiu predstavili prepričljivo razlago.

Ko se tekočina ohladi, se njihova dinamika upočasni in postanejo viskozna. Za večino tekočin je stopnja upočasnitve konstantna kot funkcija temperature in ti so znani kot močne tekočine. Vendar pri nestabilnih tekočinah stopnja stalno narašča, ko temperatura pade. V zvezi s tem je voda nenavadna - pri sobni temperaturi je krhka, vendar močna pri nizkih temperaturah, kjer stopnja naraščanja viskoznosti doseže vrh.

Ta krhki-do-močan prehod je neučinkovit, ki se pojavlja le v režimu z nadzorovano temperaturo, pod običajno zmrziščno točko vode. Zgodnji modeli so ga poskušali povezati s stekleno dinamiko, saj je znano, da je prehlajena voda nekdo iz stekla. Vendar pa skupina, ki jo vodi Inštitut za industrijske znanosti Univerze v Tokiu, predlaga dvomestno teorijo, ki dejansko modelira vodo kot mešanico dveh obstoječih tekočin.

Matematično, močno / krhko razlikovanje temelji na Arrheniusovem zakonu za dinamične procese - močne tekočine se držijo tega zakona, a za krhke tiste, hitro povečanje viskoznosti je super Arrhenius. Kot je bilo zapisano v reviji PNAS, je skupina IIS spremenila ta pogled tako, da je vodo sestavljala dve državi, imenovana "hitro" in "počasno", ki sta strukturno drugačna, oba pa upoštevata dinamiko Arrheniusa.

"Simulirali smo vodo z molekularno dinamiko in iskali strukturne vzorce, " pojasnjuje soavtor Rui Shi. "Molekule H2O se vedno zbirajo v tetrahedru, vendar smo videli, da so bile nekatere od teh lokalnih struktur zelo naročene, druge pa manj." Neurejena stanja ustrezajo hitri vodi in prevladujejo pri visoki temperaturi, medtem ko dobro vzpostavi počasno stanje, ko se vzorec ohladi.

Pomembno je, da enačbe, ki izhajajo iz modela dveh držav, uspešno napovedujejo krhkost do močan crossover. To se zgodi precej nad staklenim prehodom - steklasto vedenje se zdi rdeča sled, kar zadeva to težavo. Dejstvo, da ima hitra voda Arrhenius, in ne power-law, dinamika rešuje tudi napačne napovedi, ki temeljijo na prejšnjih poskusih povezovanja krhkosti vode z nekaterimi vidiki faznega diagrama.

"Krhka voda je lahko iluzija. Očitni prehod je artefakt temperaturno odvisnega ravnotežja dveh močnih tekočih držav, " pravi vodilni avtor Hajime Tanaka. "Prisotnost dveh držav odraža vodilno težnjo k oblikovanju lokalnih struktur, kar je lažje pri nizki temperaturi. Pravzaprav druge tekočine s krhkim do močnim prehodom, kot je silicija, kažejo tudi lokalno naročanje. Predlagamo, da se to namesto kakršno koli steklasto obnašanje, je tisto, kar jih razlikuje od resnično krhkih tekočin. "

menu
menu