Самое загадочное вещество во вселенной

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. Вот он, под тонкой снежной крупой, – так явственно ощутим. А знаем ли мы, что такое лед? На первый взгляд это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности лед таит в себе множество загадок. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгаданы лишь недавно.

Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, они вовсе не скользят. Еще пару десятилетий назад ученые давали следующий ответ: под узкими полозьями коньков создается высокое давление, и лед плавится. Конькобежец катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее. В это верили поколения физиков и химиков, но такое объяснение было ошибочным.

Ошибка выявилась в середине 1990-х годов, когда американские ученые использовали для наблюдения за происходящим новейшую электронику. Поверхность ледовой дорожки и впрямь была залита водой, но, удивительное дело, она выступала даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °С поверхность льда становится вязкой. Тогда и скользить на коньках будет проблематично. Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда.

Еще одна любопытная его особенность откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: они склеиваются! Молекулы их поверхностных слоев крепко соединяются, связывая ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.

Некоторые свойства льда ученые так и не сумели пока объяснить

Кстати, лед льду – рознь. При низких температурах и высоких давлениях мы будем иметь дело с другими модификациями льда. Сколько их, не знает никто. Всего, по данным на 2011 год, известно 16 кристаллических и 5 аморфных форм льда. Последние не имеют кристаллической структуры. В частности, ледяные облака в межзвездном пространстве (их температура составляет —260 °C) состоят из аморфного льда.

Одной из самых экзотичных форм является, наверное, лед Х. Он образуется при давлении, которое в миллионы раз превосходит атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, ежели на игольное ушко взгромоздить автомобиль. Эта модификация льда с симметрично расположенными водородными мостиками была открыта в 1999 году сразу тремя группами исследователей из Франции, Японии и США. Еще до этого было известно, что подобная форма льда должна хорошо проводить электрический ток, разительно отличаясь от знакомого нам льда.

Некоторые модификации льда образуются даже при плюсовых температурах. Предпосылкой к тому – сверхвысокие давления, которые встречаются только в космосе.

В мощном электрическом поле вода может превращаться в лед даже при комнатной температуре. Это показали опыты физика Хён Кана из Сеульского университета, о которых сообщал в 2005 году журнал Physical Review Letters . В его лаборатории вода, точнее водяная пленка, отвердевала в поле напряженностью около миллиона вольт на метр. В естественных условиях столь мощные поля можно наблюдать в грозовых облаках; возникают они и в некоторых нанотехнологических конструкциях.

Удивительно, но лишь одна из этих модификаций не тонет в воде, а плавает по ее поверхности – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Причина кроется в особенности ее строения: в ее кристаллах молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в такой знакомый – и загадочный – лед, или, как называют его ученые, лед Ih, расширяется. Ее объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая», легкая структура. Она представляет собой сеть из шестиугольников с огромными полостями посредине. В такой кристаллической решетке расстояния между молекулами льда заметно больше, чем между хаотично движущимися молекулами жидкой воды. Наличие многочисленных полостей обусловливает малую плотность этой модификации льда. Насколько это важно, показывает простой умозрительный эксперимент. Представим себе, что вода перестанет расширяться при замерзании. Как изменится наш мир?

Для начала хорошие новости: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с минеральной водой. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.

Теперь новости похуже. Их возвещают крики зверей и молчание рыб. Легко догадаться, что полярных медведей перемена льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до толики небольших островов, затерянных в Северном Ледовитом океане, ведь лед, сковывающий его, неминуемо пошел бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, ведь эти водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна.

Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие полярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха, проникшие в них при застывании воды. Подобный лед почти идеально отражает солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растает ледяной щит, покрывающий сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды.

Пока же из этих городов мы запросто можем отправиться туда, где само море бывает сковано льдом. Морской лед напоминает скорее пористую губку, чем знакомый нам речной лед. Зато он изобилует живыми организмами. По большей части, это – одноклеточные водоросли. По предположению ученых, эти организмы служат центрами кристаллизации льда. Вокруг них формируются кристаллики льда. Потом они всплывают на поверхность моря и скапливаются здесь. Волны нагоняют в эту ледяную кашицу все новые растения, все новые микроорганизмы. Можно сказать, что морской лед насыщен планктоном так же, как и морская вода. Большая часть этих организмов может не только жить в толще льда, но и размножаться здесь. Впрочем, некоторые планктонные организмы в летние месяцы, когда тает лед, высвобождаются из ледяного плена, размножаются в открытой воде, а с наступлением холодов снова укрываются среди льда, какой бы неуютной – низкая температура, высокая соленость, отсутствие света – ни казалась эта среда обитания для всего живого. Эти организмы – от одноклеточных и диатомовых (кремнистых) водорослей до червей и рачков – населяют, прежде всего, многочисленные каналы и полости, усеивающие толщу морского льда и достигающие в поперечнике нескольких миллиметров.

Только в антарктическом паковом льде обитает от 200 до 300 видов диатомовых водорослей, в арктическом льде – еще около 300 видов. В одном литре растаявшего льда можно встретить до нескольких сотен миллионов живых клеток.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

ТОП-10: Очень странные вещества, открытые наукой

Еще до зарождения философии в Древней Греции люди были одержимы идеей субстанций, где заканчивается одна материя, и начинается другая, и общими строительными блоками жизни. Но за тысячи лет, в течение которых мы изучали различные материалы, мы получили представление о том, что к чему. С помощью химии и периодической таблицы мы пришли к пониманию и научились предсказывать поведение основных веществ или материалов.

У некоторых материалов есть странные абстрактные черты. Нам кажется, что все в природе действует по строгим правилам, кажется предсказуемым и чудесно вписывается в аккуратные небольшие пояснительные инструкции. Это дает нам возможность классифицировать вещи различным способом и понимать их такими, какие они есть. Вот 10 абсолютно странных материалов, которые были открыты учеными за многие годы.

Фото: quirkyscience.com

В то время как трииодид является химическим веществом, которое можно смешивать с другими для создания различных химических веществ, сам по себе трииодид, по сути, не очень интересен. Обычно это желтоватое вещество, которое становится красным при получении трииодида азота, который обозначается как NI. Что такого особенного в трииодиде азота? Это его крайняя взрывоопасность.

Большинство взрывчатых веществ становятся таковыми под воздействием химических процессов, таких как взаимодействие с теплом и горение. Но только не трииодид азота, который взрывается при контакте с ним. Именно так. Возьмите грамм этого порошка, поставьте его на стол, прикоснитесь к нему чем угодно и наблюдайте шоу. Все, что требуется для взрыва — простой контакт или трение. Этот материал настолько неустойчив, что к взрыву может привести даже легкое прикосновение к нему.

Фото: Live Science

Вантаблэк (Vantablack) – это искусственный материал, разработанный компанией Surrey NanoSystems. Этот материал является эквивалентом черной дыры в том, что он поглощает свет настолько, что трехмерные объекты, покрытые материалом, кажутся двумерными, поскольку сильно снижается преломление любого света. Вантаблэк удерживает мировой рекорд как самое темное искусственное вещество и самый темный черный, который вы можете купить. Материал поглощает 99 процентов всего света, с которым вступает в контакт.

В Южной Корее им даже покрыли здание, чтобы создать «самое темное место на Земле», имитируя самые глубокие тайники космоса. Цель состояла в том, чтобы создать опыт погружения в темноту — глубокое темное облако черного. Трехмерные объекты, покрытые вантаблэк, выглядят как тени, которые отбрасывает объект, развернутый в профиль. Это, мягко говоря, очень интересный материал.

8. Супергидрофобный материал

Фото: ultrahydrophobiccoating.com

Супергидрофобный материал – это не то, что мы покупаем, чтобы покрыть кожу или замшу, или нанести на деревянные поверхности, находящиеся снаружи, чтобы защитить их от дождя и другого воздействия. Супергидрофобный материал заставляет воду сворачиваться в сферы, которые выглядят как драгоценные камни.

Он настолько водооталкивающий, что, если вы распылите его на лобовое стекло вашего автомобиля, то сможете ездить под дождем со скоростью до 64 километров в час, и ваше лобовое стекло останется сухим. Прощайте, дворники.

На самом деле, супергидрофобный материал отталкивает почти все жидкости, заставляя их сворачиваться в маленькие шарики, которые вы даже можете катать, как если бы они были настоящими шариками. Этот материал гениален и имеет множество вариантов применения, в том числе и для высокотехнологичных отраслей промышленности. Он очень странный.

7. Ферромагнитная жидкость

Ферромагнитные жидкости представляют собой тип жидкости, которые можно преобразовывать в странные формы, даже не касаясь. Обычно это темная, черная, красноватая, или серая жидкость, которая ведет себя так же, как и обычные жидкости, если нет магнитного поля.

Как только жидкость вступает в контакт с магнитным полем, она становится высоко намагниченной, и начинает принимать разные формы, изгибаясь и вытягиваясь. Она ведет себя как наши обычные твердые магниты, только находится при этом в жидком состоянии.

Эта штука похожа на темный жидкий металл. Ее можно приобрести в интернете или даже сделать с помощью доступной в интернете инструкции. Как и многие другие чудеса физики, ферромагнитная жидкость в действии – удивительное зрелище. Она реагирует на магнитное поле и ведет себя в соответствии с ним. Когда магнитное поле исчезает, жидкость растекается случайным образом.

6. Сверхкритическая жидкость

Фото: Ben Finney, Mark Jacobs

Сверхкритическая жидкость — это материал, созданный при определенных значениях температуры и давления. Она отменяет границы физических свойств, которые мы знаем. Короче говоря, сверхкритическая жидкость — это нечто между жидкостью и газом. Это смесь того и другого, но при этом она не является ни жидкостью, ни газом.

Такое случается, когда жидкость нагревается выше критической температуры и давления. Критическая температура — это точка, в которой вещество было нагрето до такой степени, что вы не можете превратить его в жидкость. Критическое давление — это давление, необходимое для превращения газа в жидкость при высокой температуре.

Сверхкритическая жидкость — газообразное вещество с высокими свойствами жидкости. Если бы вы углубились в атмосферу некоторых планет, таких как Юпитер или Нептун, вы бы погрузились в нее. Это супер-странная версия всех жидкостей. или это газ?

Нитинол — это торговое название сплава титана и никеля с чрезвычайно необычными (и важными) свойствами. Нитинол часто используется в медицинской промышленности, но имеет и другие применения. Самое странное в этом металле то, что он похож на жидкий металл, который вы видели в «Терминаторе-2: Судный день», в том, что всегда может вернуться к своей первоначальной форме. Нитинол суперэластичный, или у него есть «память» о своей первоначальной форме.

Поэтому, если вы сделаете объект из нитинола, а затем согнете его, он на ваших глазах автоматически сформирует свою первоначальную форму. Эти свойства памяти формы позволяют использовать его и для развлечения, и для практических целей. Его широко применяют для стентов, поскольку нитинол может сжиматься внутри человеческого тела, если необходимо, обладает прочностью металла, и может возвратиться в свою первоначальную форму каждый раз, когда влияние силы, изменяющей его форму, заканчивается. Свойство нитинола по изменению формы активируется теплом. При некоторых температурах он будет изменять свою первоначальную форму. В других случаях он вернется в исходное состояние.

Эту температурную разницу нужно контролировать в пределах 1 градуса Цельсия. От водорослей, которые помнят освещавший их свет, до нитинола, который всегда помнит свою первоначальную форму и возвращается к ней при правильных условиях, материалы с «памятью», безусловно, удивительные и странные.

Фото: Live Science

Галлий – это химический элемент, металл, с атомным номером 31, который еще больше напоминает жидкий металл из «Терминатора 2: Судный день». Особенно странной характеристикой галлия является низкая температура, при которой он превращается в жидкость. Она чуть ниже 30 градусов по Цельсию. Во многих местах это близко к комнатной температуре.

Это блестящий металл серебристо-белого цвета. Когда вы имеете дело с галлием, вы имеете дело с жидким металлом. Как с жидкостью, с этим металлом можно играть – он сворачивается и формирует в ваших руках разные формы.

У галлия много сфер практического применения, таких как LED – лампы, производство кабеля и фармацевтика. Это очень мягкий металл, даже в твердом состоянии. На самом деле, он настолько мягкий, что вы можете нарезать его ножом без особых усилий. Если вы сделаете из галлия твердый шар, а затем возьмете его в руки, он растает. Это удивительный металл.

Гидрогели — это увлекательная группа веществ, не хуже сверхкритических жидкостей. Однако вместо того, чтобы находиться где-то между жидкостью и газом, гидрогели находятся где-то между жидкостью и твердым телом. Гидрогель сохраняет свою форму и не растекается, как твердое тело, но он изгибается, как жидкость, и очень податлив. Одним из известных гидрогелей является JELL-O. Это забавный перекус для людей по всему миру. Но есть и другие виды гидрогелей, и другие способы их применения, кроме как в продуктах питания.

Благодаря их гибкости и долговечности, у гидрогелей открываются большие перспективы в мире науки в качестве биоматериалов, которые можно помещать на, или в организм человека. Их способность полностью разжижаться, заполнять пространство, а затем затвердевать и все еще быть гибкими, просто удивительна.

Гидрогели представляют собой серию полимеров, у которых есть определенные химические и физические свойства, и которые плавно изменяют свое состояние с твердого на жидкое. При нагревании белки полимера рассеиваются и перемещаются более свободно. При охлаждении те же самые белки снова затвердевают, но не так сильно, как когда вода превращается в лед. Эти белки делают гидрогель одним из самых необычных чувствительных и внешне интересных веществ.

2. Графеновый аэрогель

Фото: graphene-info.com

Графеновый аэрогель — самый легкий материал на Земле и, безусловно, самый легкий твердый материал, который мы знаем. Его вес составляет всего 0,16 миллиграммов на кубический сантиметр, практически легче, чем воздух. Его плотность даже ниже плотности гелия, хотя немного выше плотности водорода, самого легкого из всех газов.

Графеновый аэрогель был создан из гидрогеля, в котором жидкое содержимое заменили воздухом, в результате объем воздуха в веществе составил 99,98 процента. Вот почему он такой легкий – он пустой. В нем не так много твердых атомов, чтобы он много весил. В результате графеновый аэрогель является наименее плотным из всех известных твердых материалов.

Помимо того, что сегодня графеновый аэрогель используется в разных клеящих веществах, покрытиях и наполнителях, его также используют как легкий материал для трехмерной печати, который позволяет добиться точности. Будущее графенового аэрогеля многообещающее, и это вещество станет основным продуктом будущего для печати таких предметов, как легкие кофейные чашки или даже ювелирные изделия.

1. Темная материя

Фото: Live Science

Темная материя — одна из самых неуловимых субстанций во Вселенной, которая нам известна сегодня, и это делает ее, возможно, одной из самых удивительных. Темная материя составляет около 27% от физической Вселенной. Ее нельзя обнаружить по степени ее освещенности, преломлению света, благодаря которому мы видим обычную материю своими глазами и специальными приборами. Темную материю можно обнаружить только по гравитационному притяжению. Мы знаем, что она где-то там, но не видим ее. Таким образом, мы можем предположить ее наличие только по притяжению, которым она удерживает другие видимые нам объекты.

С появлением первой гипотезы о ее существовании в 1970х годах, присутствием темной материи стало возможным объяснить таинственные движения многих объектов, притягиваемых в ее гравитационное поле – например, галактик, которые каким-то волшебным образом уходят от влияния гравитационного поля более крупных галактик. Гравитационное усиления происходит, когда вещество в пространстве искажает пространственную ткань и искривляет свет. Даже если мы не можем видеть темную материю, мы знаем, что она существует. Она искривляет проходящий свет, а не излучает или поглощает его.

Темная материя составляет около 27 процентов наблюдаемой Вселенной, но наблюдаемая материя составляет только 5 процентов нашей Вселенной. Около 68% Вселенной — это «темная энергия», таинственная, неуловимая энергия. Это означает, что, наблюдая за веществом, можно увидеть около 5 процентов нашей Вселенной. Мы можем воспринимать ее только по тому крошечному кусочку, который можем наблюдать. Это делает темную материю одним из самых странных веществ, обнаруженных современной наукой.

Источник

Самое загадочное вещество во вселенной

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Читайте также

Самое распространенное вещество на Земле

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена

Самое распространенное вещество на Земле

Какое животное самое тяжелое, а какое самое легкое в мире?

Глава 2. Таинственное вещество Вселенной

Загадочное нейтрино

Загадочное ускорение Фобоса

Самое распространенное вещество на Земле

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена

Вад (минер. вещество)

Вар (смолистое вещество)

Часть II. «самое-самое» из стилистики

ТОП-10: Очень странные вещества, открытые наукой