Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Контакты
      • Разместить статью
Фото: Arek Socha с сайта Pixabay
Фото: Arek Socha с сайта Pixabay

Скрытое свойство воды для технологий чистой энергии

Природные ресурсы, экология и строительство

Опубликовано: 03.11.2019

Обновлено: 04.05.2020

 1165

Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес в связи с ее центральной ролью в обеспечении физиологических процессов и повсеместного присутствия в природе

Вода в жидком состоянии отлично проводит собственные продукты автоионизации, то есть заряженные частицы, полученные при расщеплении молекул воды (H₂O) на протоны (H⁺) и гидроксид-ионы (OH⁻). Это замечательное свойство воды делает ее критически важным компонентом в новых технологиях производства и хранения электрохимической энергии, например, в топливных элементах. Сама жизнь была бы невозможна, если бы вода не обладала этим свойством.

Вода состоит из сложной сети слабых направленных взаимодействий, известных как водородные связи. В течение почти столетия ученые считали, что механизмы, по которым вода транспортирует ионы H⁺ и OH⁻, являются зеркальным отражением друг друга. Что они идентичны во всех отношениях, за исключением направленности таких связей, участвующих в процессе.

Однако современные теоретические модели и компьютерное моделирование предсказывают фундаментальную асимметрию в этих механизмах. Если это правильно, то эта асимметрия может быть использована в различных устройствах.

Исследователи провели эксперимент по установлению этой асимметрии. Экспериментальный подход включал охлаждение воды до ее так называемой температуры максимальной плотности, где ожидалось, что асимметрия проявится наиболее сильно, что позволит достоверно ее зафиксировать.

Охлажденная, но не замороженная

Общеизвестно, что лед плавает на воде, а озера замерзают сверху. Это происходит потому, что молекулы воды упаковываются в структуру с более низкой плотностью, чем у жидкой воды, что является проявлением необычных ее свойств: плотность воды в жидком состоянии увеличивается при температуре чуть выше точки замерзания и достигает максимума при 4 °С. Это так называемая температура максимальной плотности. Эта разница в плотности определяет то, что жидкость всегда находится ниже льда.

Охлаждая воду до этой температуры, для наблюдения был использован метод ядерного магнитного резонанса, чтобы показать, что разность времени жизни двух ионов достигает максимального значения. Подчеркивая разницу в продолжительности жизни, асимметрия стала явной.

Вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы водорода относительно мобильны и могут переходить от одной молекулы к другой, и именно этот скачок делает два ионных компонента настолько подвижными в воде.

В поисках объяснения зависимых от температуры характеристик исследователи сосредоточились на скорости, с которой могут происходить такие скачки.

Предыдущие исследования показали, что основные геометрические расположения водородных связей (по одной, связанных с каждым ионом) облегчают прыжки. Было обнаружено, что достижение 4 °С приводит к значительно более медленным прыжкам для OH⁻, чем для H⁺.

Учитывая, что это также температура максимальной плотности, исследователи пришли к выводу, что эти два явления должны быть между собой связаны. Кроме того, их результаты показали, что поведение молекул резко менялось при такой температуре.

Большой интерес

«Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес в связи с ее центральной ролью в обеспечении физиологических процессов и повсеместного присутствия в природе». «Новое открытие довольно удивительно и может позволить глубже понять свойства воды, а также ее роль как жидкости во многих явлениях природы».

«Приятно, что этот очевидный экспериментальный факт подтверждает ранние прогнозы». «В настоящее время идет поиск новых способов использования асимметрии между транспортом H⁺ и OH⁻ для разработки новых материалов в области экологически чистой энергии».

Выводы команды также повлияют на ряд других исследований, начиная от изучения функции ферментов в биохимических процессах и заканчивая пониманием того, как живые организмы могут процветать в суровых условиях, в том числе при минусовых температурах и сильно кислой среде.

 

Источник: New York University. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.076001

0.00%
0 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Фото: Vyacheslav Lozhkin с сайта Pixabay

Гидрокинетическая турбина использует энергию потока реки

Обновлено: 04.05.2020
 1447
Фото: REUTERS/Issei Kato

Япония возвращается к ядерной энергетике после Фукусимы

Обновлено: 13.07.2020
 1018
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) разработали ткани из полиэтилена. Предоставлено: Светлана Борискина

Влагопроницаемая ткань из переработанного полиэтилена

Обновлено: 18.03.2021
 644

Комментарии:

Alex Poliakoff

Ионные асимметричные свойства воды в электрохимической энергии - замечательная тема для далекого будущего. Зеркальные испарительные (охлаждение) и конденсационные (нагревание) свойства воды в психрометрической энергии - это основа климатической техники ближайшего будущего: кондиционеры, рекуператоры, тепловые насосы.

Если вы хотите оставить в этой ветке свой комментарий, то, пожалуйста, напишите об этом на странице с контактами

Недавние публикации

Звуковые эффекты в зданиях напрямую зависят от материалов, из которых сделаны потолки, стены, двери и другие ограждающие конструкции. Фото: Rockfon

Звукопоглощение, звукоизоляция и фоновый шум в зданиях

Обновлено: 26.07.2022  636
Тепло выделяется из оксида марганца, когда молекулы воды поглощаются слоистой структурой. Ⓒ Norihiko L. Okamoto

Вода усиливает способность материала поглощать и отдавать тепло

Обновлено: 21.04.2022  640
Струи пламени нагревают теплообменник в печи с принудительной подачей разогретого воздуха в систему отопления. Service Champions

Отопительные печи с принудительной подачей воздуха в помещение

Обновлено: 07.05.2022  606

Популярные категории

  • Альтернативная энергия57
  • Новости, обзоры, события113
  • Системы отопления и охлаждения55
  • Водоснабжение и водоотведение23
  • Энергоэффективность и энергосбережение44

Разместить статью

Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

Ссылки:

  • Контакты
  • Разместить статью
  • Конфиденциальность
VK Telegram

© 2023 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

Отправить сообщение об ошибке?

Ошибка:
Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.