Tudomány

Újfajta jég, amely hajlékony, mint egy tészta törés nélkül

A jég merev és törékeny – megdöbbentő lenne, ha a jégcsapot egy softball köré hajlítanánk, és visszahelyeznénk eredeti egyenes formájába. De a kutatók most ezt tették, bár sokkal kisebb léptékben.

Olyan mikroszkopikus jégkristályokat állítottak elő, amelyek nemcsak rugalmasak és rugalmasak, hanem hosszukban is kiemelkedően jól engedik át a fényt. Ezeket a „jég mikroszálakat” egy napon fel lehet használni a légszennyezés tanulmányozására – javasolta a kutatócsoport egy cikkében megjelent csütörtökön a Science-ben.

Limin Tong, a kínai Zhejiang Egyetem fizikusa és munkatársai elmondták, hogy inspirációt kaptak a jég tanulmányozására, miután szilícium-dioxiddal, egyfajta üveggel dolgoztak. A mindennapi tapasztalatok azt tanítják nekünk, hogy az ablakokba vagy ivóedényekké formált üveg törékeny – mondta Dr. Tong. De a hosszú, vékony üvegdarabok, mint az optikai szálak, hajlékonyak. Talán ugyanez igaz a jégre is – feltételezték a kutatók.

A jég sokféle természeti környezetben fordul elő, például a gleccserekben és a jéghegyekben, de Dr. Tongnak és kollégáinak fagyasztott vizet kellett készíteniük, amely megfelel a sajátos előírásoknak. Ennek a jégnek majdnem tökéletesnek kellett lennie.

A csapat azzal kezdte, hogy egy kör alakú kamrát készített egy alig több mint egy hüvelyk átmérőjű 3D-s nyomtatóval. Folyékony nitrogén alkalmazásával a kamrában lévő helyet negatív 58 fahrenheit fokig hűtötték. Ezután apró szerszámokat szúrtak be ebbe a miniatűr laboratóriumba, köztük egy fém tűt, amelyre 2000 volt volt rá szükség. Ez a feszültség elektromos teret hozott létre, és a levegőben jelenlévő vízmolekulák a tűre telepedve reagáltak a mezőre. Nagyon lassan, másodpercenként nagyjából száz centi sebességgel rúdszerű jégszálak nőttek ki a tű hegyéből.

A mikroszálak soha nem lettek nagyon hosszúak – szabad szemmel alig voltak láthatóak -, de a nagy felbontású képalkotásból kiderült, hogy egykristályokról van szó. Ez azt jelenti, hogy a bennük lévő atomok ismétlődő mintákban vannak elrendezve. “Az atomok méhsejtként rendezettek” – mondta Dr. Tong.

Ez a szerkezeti tökéletesség a mikroszálas hibák – például apró repedések, pórusok, hiányzó atomok vagy molekulák – relatív hiányával párosulva sokkal rugalmasabbá teszi őket, mint a természetesen előforduló jég – mondta Erland Schulson, a Dartmouth College jégtudósa, aki nem vesz részt a kutatásban.

“Nincsenek szemcsehatárok, nincsenek repedések, nincsenek olyan jellemzők, amelyek egyébként korlátoznák, hogy egy test mekkora rugalmas megterhelést tapasztalhat.”

Ennek a rugalmasságnak a bizonyítására Dr. Tong és munkatársai mikroszkopikus eszközökkel nyomták a mikroszálakat. Megmutatták, hogy a jeget főtt tésztaként szinte teljes körökbe lehet hajlítani, mielőtt változatlanul visszatérne eredeti rúdszerű alakjához. “Nem volt maradandó deformáció” – mondta Dr. Schulson, aki írt perspektivikus cikk, amely a Science tanulmányt kísérte.

A csoport azt is megállapította, hogy a mikroszálak hatékonyan továbbítják a fényt teljes hosszukban. Amikor a kutatók látható fényt küldtek a mikroszálak egyik végébe, a másik végén több mint 99 százalék jelent meg. Úgy működnek, mint a száloptikai szálak, amelyek lehetővé teszik a gyors internetes kommunikációt – mondta Dr. Tong. „Egyik oldalról a másikra irányíthatják a fényt.”

Ezeket a mikroszálakat egy napon fel lehet használni a levegő minőségének tanulmányozására – javasolják a kutatók. A szennyezéssel járó részecskék – például a korom és a fémek – gyakran tapadnak a jégdarabokhoz a légkörben, ahol megváltoztatják a jég fényelnyelésének és visszaverésének módját. Ha a szennyezett jégből mikroszálat építünk, és megvizsgáljuk, hogyan terjed a fény rajta keresztül, akkor jobban meg lehet érteni egy régió szennyezésének mennyiségét és típusát – javasolja a csapat.