Vedecké kúzlo tekutín - Mindcraft Stories
Nedávno publikovali naši priatelia z vydavateľstva Publica: „Liquid. Príjemné a nebezpečné látky prúdiace našimi životmi “je jednou z najlepších kníh na popularizáciu vedy za posledné roky, ktorá zvláda„ nemožné “: vysvetliť jasne a dobre komplikované vedecké predstavy o zdanlivo„ triviálnych “veciach (uvádzame v úvodzovkách, lebo nič nie je malicherné, ak sa na to pozriete pozorne), ako napríklad víno, voda, petrolej v lietadle alebo freón v klimatizáciách. Aspoň raz za niekoľko stránok bude reakcia každého čitateľa taká: „Páni, to som nevedel!“
Mark Miodownik je riaditeľom Inštitútu tvorby na University College v Londýne, univerzitný profesor a jeden z najtalentovanejších autorov populárno-vedeckých kníh s dvoma vynikajúcimi dielmi o vede o materiáloch.
Oba boli preložené v našej krajine, do zbierky Public: Bestseller 10 zázračných materiálov, ocenených knižnou cenou Národnej akadémie komunikačných vied a Wintonovou cenou Kráľovskej spoločnosti, ako aj jeho novou knihou „Liquid. Príjemné a nebezpečné látky, ktoré prúdia našimi životmi “, z ktorých vás pozývame vychutnať si pod fragment, ktorý vzbudí vašu zvedavosť.
Na letiskovej bezpečnostnej kontrole mi boli zhabané arašidové maslo, med, pesto omáčka, zubná pasta a čo najviac bolelo, fľaša jednosladovej whisky. V takýchto situáciách mi nevyhnutne skočí horčica. Hovorím veci ako „chcem sa rozprávať s nadriadeným“ alebo „Arašidové maslo nie je tekuté“, aj keď viem, že je. Arašidové maslo tečie a nadobúda tvar nádoby, v ktorej je umiestnené - to je to, čo robia tekutiny -, takže je tekuté. Mimochodom, len ma mrzí, že ani teraz vo svete plnom „inteligentnej“ technológie nemôže bezpečnostná kontrola na letisku rozpoznať rozdiel medzi tekutým krémom a tekutou výbušninou.
Prechod viac ako 100 mililitrov kvapaliny cez bezpečnostné kontroly je od roku 2006 zakázaný, odvtedy sa však naša detekčná technológia príliš nezlepšila. Röntgenové skenery detegujú predmety v batožine. Konkrétne upozorňuje ochranku, keď narazí na podozrivé tvary: odlišuje pištole od sušiča vlasov a nožov na perá. Tekutiny ale nemajú žiadny tvar. Iba nadobudnú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Technológia letiskového skenovania dokáže zistiť hustotu aj množstvo chemikálií. Tu však opäť nastávajú problémy. Napríklad molekulárne zloženie výbušného nitroglycerínu je podobné ako v arašidovom masle. Oba sú vyrobené z uhlíka, vodíka, dusíka a kyslíka - ale jeden je kvapalná výbušnina a druhý je proste ... čo ešte, vynikajúce. Existuje obrovské množstvo nebezpečných toxínov, jedov, oxidantov a patogénov, ktoré je neuveriteľne ťažké rýchlo a bezpečne odlíšiť od neškodných tekutín. Práve tento argument, ktorý som počul od mnohých ochrankárov (a ich nadriadených), ma zvyčajne prinúti prijať - neochotne -, že moje arašidové maslo alebo iná tekutina, na ktorú stále zabúdam Vyberám ich z príručnej batožiny, predstavujú značné riziko.
A ktorá kúpeľňa by bola úplná bez rohu s fľašami tekutého mydla, šampónom a kondicionérom, téglikmi od smotany a tuby so zubnou pastou? Milujeme tieto zázračné tekutiny, ale tiež nás znepokojujú: neubližujú nám? Nespôsobuje to tiež rakovinu? Nepoškodzuje to životné prostredie? V prípade tekutín ide pôžitok a podozrenie ruka v ruke. Svojou podstatou sú duplicitné - ani plynové, ani pevné, ale niečo v strede, niečo nevyspytateľné a tajomné.
Qin cisár Shi Huang, zakladateľ dynastie Qin.
Ortuť nie je jedinou tekutinou, ktorú môže konzumovať, a obsahuje inú látku. Ak do vody pridáme soľ, rýchlo zmizne - soľ niekde je, ale kde a čo sa s ňou stalo? A napriek tomu, ak ju nalejeme do oleja, soľ tam zostane. Prečo? Kvapalná ortuť absorbuje masívne zlato, ale odmieta vodu. Prečo? Voda absorbuje plyny vrátane kyslíka; nebyť toho, žili by sme vo veľmi odlišnom svete - kyslík rozpustený vo vode umožňuje rybám dýchať. Potom, hoci voda nemôže absorbovať dostatok kyslíka pre ľudské dýchanie, iné kvapaliny môžu. Existuje druh oleja - fluórovaný uhľovodík - veľmi nereaktívny z chemického a elektrického hľadiska. Je to tak inertné, že si môžete svoj mobilný telefón vložiť do pohára s touto látkou, a bude ďalej fungovať normálne. Fluorovaný uhľovodík môže tiež absorbovať kyslík v takej vysokej koncentrácii, že je pre človeka priedušný - namiesto vzduchu vdychujte tekutinu - a to s mnohými možnými spôsobmi použitia, z ktorých najdôležitejšie je liečba predčasne narodených detí trpiacich syndrómom respiračnej tiesne (nt: stav, keď neúplne vyvinuté pľúcne alveoly neprenášajú dostatok kyslíka do krvi).
Ale všetka tekutá voda má najvyššiu vlastnosť generovať život. Dôvod je ten, že rozpúšťa nielen kyslík, ale aj mnoho ďalších látok vrátane molekúl na báze uhlíka; je to teda optimálne prostredie pre vzhľad života - pre spontánne vytváranie nových organizmov. Aspoň tak to hovorí teória. Preto pri hľadaní známok života na iných planétach vedci hľadajú tekutú vodu. Ale kvapalná voda je vo vesmíre vzácna. Je možné, že v Európe, jeden z mesiacov Jupitera, sú pod ľadovou pokrývkou oceány tekutej vody. Na Encelade, jednom zo Saturnových mesiacov, môže byť tiež tekutá voda. Ale Zem je jediné teleso v slnečnej sústave s veľkým množstvom vody ľahko prístupným na povrch.
Povrchové teploty a tlaky, ktoré umožňujú prítomnosť vody v tekutej forme, boli výsledkom súboru jedinečných okolností. Konkrétne, nebyť tekutého jadra Zeme vyrobeného z roztavených kovov, zdroja magnetického poľa, ktoré nás chráni pred slnečným vetrom, všetka naša voda by pravdepodobne zmizla pred miliardami rokov. Stručne povedané, na našej planéte sa tekutina zrodila z kvapaliny a z nej - života.
Ale kvapaliny sú tiež deštruktívne. Pena je mäkká, pretože sa ľahko stláča; ak skočíte na penový matrac, cítite, ako pod vami ustupuje. Kvapaliny sa takto nesprávajú; naopak, tečie - každá molekula postupuje v priestore uvoľnenom inou molekulou. Jav spozorujeme v riekach, keď otvoríme kohútik alebo keď si kávu zmiešame s lyžičkou. Keď zoskočíme z trampolíny a dotkneme sa vody, musí sa oddeliť, aby pre vás urobilo miesto. Toto oddelenie ale vyžaduje čas a ak je rýchlosť nárazu príliš vysoká, voda nebude môcť odtekať dostatočne rýchlo a bude na vás vyvíjať tlak. Preto sila, ktorá vás štípe po pokožke, keď sa vrhnete do bazéna a ktorá vytvára kontakt s vodou po skoku do výšky, je veľmi podobná dopadu na betón. Nestlačiteľnosť vody je tiež dôvodom, prečo môžu vlny vyvíjať takú smrteľnú silu a prečo môže vlna tsunami zbúrať budovy a mestá a rozhadzovať autá ako zlomené konáre. Napríklad zemetrasenie v Indickom oceáne z roku 2004 vyvolalo sériu tsunami, ktoré zabili 230 000 ľudí v štrnástich krajinách. Z hľadiska gravitácie išlo o ôsmu prírodnú katastrofu v histórii.
Ďalšou nebezpečnou vlastnosťou kvapalín je ich schopnosť explodovať. Keď som nastúpil na doktorát z Oxfordu, musel som pripraviť malé vzorky pre elektrónový mikroskop. Tento proces zahŕňa ochladenie kvapaliny nazývanej elektrochemický leštiaci roztok na teplotu mínus 20 ° C. Kvapalina bola zmesou butoxyetanolu, kyseliny octovej a kyseliny chloristej. Ukázal mi, ako sa robí ďalší doktorand v laboratóriu Andy Godfrey, a myslel som si, že tomu rozumiem. Ale po niekoľkých mesiacoch si Andy všimol, že sme roztok nechali často zahriať počas elektrochemického leštenia. „To by som neurobil,“ povedal jedného dňa a zdvihol obočie, keď sa pozrel cez moje rameno. Keď som sa ho spýtal, prečo, nasmeroval ma na príručku o chemickom nebezpečenstve v laboratóriu:
Kyselina chloristá je korozívna kyselina, ktorá ničí ľudské tkanivá. Kyselina chloristá môže byť zdraviu nebezpečná pri vdýchnutí, požití alebo kontakte s pokožkou alebo očami. Kyselina chloristá sa zahrieva nad teplotu miestnosti alebo sa používa v koncentráciách nad 72% (pri akejkoľvek teplote), ktorá sa stáva silnou oxidačnou kyselinou. Organické látky sú obzvlášť náchylné na samovznietenie v zmesi alebo pri kontakte s kyselinou chloristou. Výpary kyseliny chloristej môžu vo ventilačných potrubiach vytvárať chloristany citlivé na nárazy.
Inými slovami, exploduje.
Pri prehľadávaní v laboratóriu som našiel veľa bezfarebných kvapalín, rovnako priehľadných, väčšinu z nich nebolo možné rozlíšiť. Použil som napríklad kyselinu fluorovodíkovú, ktorá je okrem vytvárania dier v betóne, kovoch a mäse tiež toxická pri kontakte a brzdí nervové funkcie. Efekt je jemný - presnejšie, necítite to, keď vás to páli. Náhodné vystavenie môže zostať veľmi ľahko nepovšimnuté, zatiaľ čo kyselina hlodá vo vašej pokožke.
A alkohol patrí do kategórie jedov. Pravdaže, prejavuje sa iba vo veľkých dávkach, ale narobil viac škody ako kyselina fluorovodíková. Napriek tomu má obrovskú úlohu v spoločnosti a v kultúrach po celom svete; v priebehu histórie sa používal ako antiseptikum, antitusikum, protijed, sedatívum a palivo. Jeho hlavnou príťažlivou funkciou je látka tlmiaca nervový systém: je to psychoaktívna droga. Mnoho ľudí nedokáže fungovať bez denného pohára vína a väčšina spoločenských udalostí sa točí okolo miest, kde sa podáva alkohol. Týmto tekutinám nedôverujeme (a oprávnene), ale stále ich milujeme.
Fyziologické účinky alkoholu pociťujeme, keď sa vstrebáva do krvi. Tep nám neustále pripomína úlohu krvi v tele a jej potrebu neustále cirkulovať: pracujeme vďaka činnosti pumpy a keď sa zastaví, zomrieme. Zo všetkých tekutín na svete by sme mohli povedať, že krv je jednou z najdôležitejších. Našťastie dnes môžeme nahradiť naše srdce, môžeme vykonávať operácie bypassu a môžeme ich spojiť s rôznymi bodmi v tele i mimo neho. Aj krv môže byť transfúzovaná a extrahovaná, uskladnená, rozdelená, zmrazená a uvedená späť do života. Bez krvných bánk by v skutočnosti každý rok zomreli milióny ľudí, ktorí utrpia chirurgický zákrok, dopravné nehody alebo sú zranení vo vojnových zónach.
Krv však môže byť infikovaná napríklad vírusom HIV alebo vírusom hepatitídy, takže môže poškodiť. Musíme preto vziať do úvahy duplicitný charakter krvi, ako aj všetkých tekutín. Dôležitou otázkou nie je to, či môžeme konkrétnej tekutine dôverovať, či je dobrá alebo zlá, či je zdravá alebo jedovatá, chutná alebo nechutná, ale skôr to, či jej dosť rozumieme, aby sme ju dokázali použiť.
Najlepším spôsobom, ako ilustrovať silu a potešenie, ktoré nám plynú z kontroly tekutín, je pozorovanie cestujúcich v lietadle. Takže o tom táto kniha je: transatlantický let a všetky zvláštne a úžasné tekutiny, ktoré sú v ňom obsiahnuté. Nastúpil som do lietadla, pretože sa mi počas doktorátu nepodarilo vybuchnúť, ale pokračoval som vo výskume materiálových vied a stal som sa riaditeľom Institute of Making na University College v Londýne. Časť nášho výskumu sa zameriava na to, ako môžu byť kvapaliny maskované ako tuhé látky. Napríklad asfalt na cestách je ako arašidové maslo tekutý, hoci vyzerá pevne. Vďaka našim štúdiám sme dostali pozvánky na konferencie po celom svete a táto kniha rozpráva o takomto lete z Londýna do San Francisca.
Planéta „Ocean“, na fotografii v prírodných farbách, od júna 2019, snímaná satelitom DSCOVR NASA.
Let je opísaný jazykom molekúl, úderov srdca a oceánskych vĺn. Mojím cieľom je odhaliť záhadné vlastnosti tekutín a ukázať, ako sme na nich záviseli. Preletíme ponad sopky Islandu, cez zľadovatenú rozlohu Grónska, cez jazerá neďaleko zálivu Hudson Bay, potom na juh k tichomorskému pobrežiu. Je to dostatočne veľký priestor na rozhovor o tekutinách od oceánskeho rebríka po kvapky v oblakoch, skúmanie podivných tekutých kryštálov na obrazovkách lietadla, nápoje podávané letovou posádkou a samozrejme palivo, ktoré udržuje lietadlo v stratosfére.
V každej kapitole rozoberám samostatnú fázu letu a vlastnosti tekutín, ktoré to umožnili: ich schopnosť horieť, rozpúšťať sa alebo vylúhovať, aby sme vymenovali aspoň niektoré. Ukazujem, ako nám kapilarita, kondenzácia, viskozita, rozpustnosť, tlak, povrchové napätie a mnoho ďalších zvláštnych vlastností tekutín umožňujú lietať po celej planéte. Vysvetľujem teda, ako kvapaliny sledujú smer prúdenia nahor v stromoch, ale dole v kopcoch, prečo je olej lepkavý, ako sa môžu vlny dostať tak ďaleko, prečo veci vysušia, ako môžu byť niektoré tekutiny kryštály, ako sa pri domácej príprave alkoholických nápojov neotráviť a čo je najdôležitejšie ako si pripraviť dokonalý čaj. Takže vás pozývam, aby ste leteli so mnou.
Sľubujem vám zvláštnu a úžasnú cestu.