Buz ve Su Şarkısı
Buz çözme
Günlük hayatımızda yiyeceklerin buzunu çözmek için sık sık mikrodalga fırın kullanırız, ancak yüzey tabakası tamamen çözülmüştür ancak buzun iç tabakası hala hareket etmiyor.
Bunun nedeni, buzdaki su moleküllerinin konumunun sabit olması ve mikrodalga fırının buzu sudan çok daha yavaş ısıtmasıdır. Mikrodalga radyasyon alanında suyun absorpsiyon katsayısı buzunkinden 1000 kat daha yüksektir, bu da sıvı kısmın aşırı ısınmasına neden olur ve donmuş kısım çözülmeye devam edemez. Şu anda, mikrodalga fırındaki buz çözme etkisi yukarıda bahsedilen problemi çözmek için kullanılmaktadır, yani mikrodalga gücü ısı difüzyonuna izin vermek için açılıp kapatılmaktadır.
Dondurarak saklamada, buzun ısıtma işleminden yeniden kristalleştirilmesi yaygın bir endişe kaynağıdır. Biyolojide, hücre zarı, buz kristallerinin büyümesiyle mekanik olarak hasar görür veya hücre dışındaki buzun neden olduğu ozmotik basınç hücre dehidrasyonuna neden olur. Bu, birçok değerli biyolojik numunenin çözüldükten sonra zarar görmesine neden oldu ve bu da insanların iç çekmesine neden oldu.
Son zamanlarda araştırmacılar, kızıl ötesine yakın radyasyonun yeni buzlu su yapılarının oluşmasına neden olabileceğini keşfettiler. Çözümde özel ışık verildiğinde, belirli bir alanda dinamik delikler ve mikro kanallardan oluşan bir labirent oluşturulabilir.Bu, kontrol edilebilir, özellikle mikroskobik çözdürme için güvenilir fikirler ve araçlar sağlayan, tamamen kontrollü bir süreçtir.
Klasik reaksiyon difüzyon modeli
Çözdürme işlemi aslında buz ve suya belirli miktarda enerji verir. Buz-su karışımına enerji verildikten sonra, belirli düzenli kalıplar oluşturmak için genellikle kendiliğinden düzenlenebildiği bulunmuştur. Bilim adamları bu oluşum sürecini ölçmek için birçok modelleme teorisi önermişlerdir.En klasik teori, İngiliz matematikçi ve mantıkçı Turing tarafından oluşturulan reaksiyon difüzyon modelidir (RD modeli). Uzamsal modellerin kendiliğinden oluşumu teorik bir model sağlar.
Model, kristal kafeste hidrojenin difüzyonunu simüle eder (İnternetten resim)
Turing, iki maddeyi tanımlar: birbirleriyle tepkimeye giren ve bileşenler arasında sürekli olarak yayılan etkinleştiriciler ve inhibitörler. Yukarıda bahsedilen buzlu su modeline ek olarak, reaksiyon difüzyon teorisinin geniş bir uygulama alanı vardır.Daha klasik olanlar, ekolojik istila, salgın hastalıkların yayılması, yara iyileşmesi, kuru ortamlarda bitki örtüsü modelleri ve hayvan derisi renkleri dahil olmak üzere embriyonik gelişim sırasında hücre çoğalması ve farklılaşmasını içerir. Yorumlamak için kullanabilirsiniz.
Kuru ortamlarda bitki örtüsü örüntüleri (Resim kaynağı: Yizhaq, H., Sela, S., Svoray, T., Assouline, S., and Bel, G. (2014). Heterojen toprak-su difüzyonunun bitki örtüsü örüntüsü oluşumuna etkileri. Su Kaynakları Araştırması, 50 (7), 5743-5758.)
Biyolojik deri üzerindeki desenler (resim kaynağı: Kondo, S., Miura, T. (2010). Biyolojik model oluşumunu anlamak için bir çerçeve olarak reaksiyon-difüzyon modeli. Bilim, 329 (5999), 1616-1620.)
Bilinen buzlu su modu
Yaygın buz kristali oluşumu, esas olarak kristallerin dendritik büyümesidir.
Buz kristallerinin dendritik büyümesi (İnternetten resim)
Yukarıdaki klasik reaksiyon difüzyon modeline dayanarak, insanlar ortak buzlu su modelini iyi buldu ve açıkladı. Aşırı soğutulmuş su veya aşırı doymuş buharda buz kristalleri, kar tanesi şekilleri oluşturmak için dendritlerde büyür. Dendritik desenler üreten bir diğer fenomen, kızılötesi radyasyon altında, büyük bir buz parçasının aşırı ısınması ve bir su boşluğu oluşturmak için eritilmesidir. Su boşluğunun şekli, aşırı soğutulmuş sudaki buz kristallerinin şekline benzer, bu nedenle "ters kar taneleri" olarak da adlandırılır. ) ". İnsanlar ayrıca buzu ısıtmak için yakın kızılötesi radyasyonu kullanırlar.Farklı kızılötesi güçler kullanılarak buzda kontrollü boyutta kanallar oluşturulabilir.Bu teknolojinin geleneksel mikroakışkan kanallar için şablonlar oluşturmak için kullanılması bekleniyor.
Ters Kar Taneleri (Resim kaynağı: Tyndall Figürlerinin Deneysel Analizi, Peter Harvey, NERC Research Experience Placement, 2013)
Yepyeni buzlu su labirenti
Araştırmacılar yeni bir buzlu su modu keşfettiler: Bir çözelti içindeki ince buz kristalleri, tek tip yakın kızılötesi radyasyon altında radyasyona maruz bırakıldığında, yeni bir mod, yani dinamik bir delikler ve mikrokanal labirenti yaratılır.
Deneyci, -25 ° C'de% 10 sakaroz çözeltisi içinde ince bir buz kristali tabakasını ışınlamak için 1540 nm lazer kullandı. Bu dalga boyunda buzun soğurma katsayısı suyun üç katıdır. Buz oluşumu ve erimesi, erime sıcaklığını etkileyen çözeltinin konsantrasyonunu değiştirir. Çözelti ışınlandığında, delikler periyodik olarak görünecek ve kaybolacaktır. Buz incelir ve aynı zamanda dairesel bir sınır belirir İnce tabaka kırıldığında buz hızla erir ve bir delik oluşturur.Delik kapalı kalır veya açılma ve kapanma döngüsü tekrarlanır. İnce buz kanalında oluşturulan delikler, açık bir çözelti kanalı oluşturmak için bitişik deliklerle birleşebilir.
1540nm lazer ışınlaması, diğer koşullar altında farklı desenler oluşturabilir.
Dağınık mürekkep
Bu mod, buz ve çözelti arasındaki enerji emilimindeki farktan kaynaklanır. Bu nedenle, buz ve su emilimi aynı ise, herhangi bir desen oluşmayacaktır. Araştırmacılar, sakaroz çözeltisine siyah mürekkep parçacıkları (görünür ışığı ve kızılötesi dalga boylarını emen bir karbon siyahı parçacıkları süspansiyonu) ekledi. % 10 sakarozda% 0.4 mürekkep. Mürekkep desen oluşumunu bastırdı ve mürekkebin% 0.4'ünde buz kristalleri tarafından yalnızca birkaç delik oluştu.
Daha yüksek bir mürekkep konsantrasyonu, yani% 10 sakarozda% 10 mürekkep ile yapılan deneyde, çözelti emme katsayısı buzunkinden 7 kat daha yüksektir ve labirent modeli yeniden ortaya çıkar.
Makalenin başında önerilen ve günlük gıda çözdürme ve dondurulmuş biyolojik numuneler için iyileştirilmiş ve kontrollü bir çözdürme süreci sağlayabilen buz seçici yakın kızılötesi radyasyona ek olarak, bu soğuk teknoloji, iz düzeyindeki bileşenleri çıkarmak için gıda mühendisliğinde de kullanılabilir. (Çözücüler ve kolloidler gibi) buza gömülüdür; dondurulmuş gıda endüstrisinde buz seçici radyasyon, ısıtma sırasında yeniden kristalleşme (kontrolsüz buz kristalleri) oluşumunu önleyebilir.
Tabii ki, ısıtma enerjisi kızılötesi ile sınırlı değildir, aynı zamanda lazer aydınlatma veya halojen aydınlatma gibi akkor ampuller de kullanabilir.
Böyle soğuk bir buzlu su labirenti için herhangi bir harika uygulama olduğunu düşünüyor musunuz?
Kaynak: Yarıiletkenler Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
