A folyadékok tudományos varázsa - Mindcraft történetek
A Publica kiadó barátai által nemrégiben megjelent „Folyadék. Kellemes és veszélyes anyagok áramlanak az életünkbe ”az egyik legjobb könyv a tudomány népszerűsítésére az elmúlt években, amely kezeli a„ lehetetlent ”: világosan és jól bonyolult tudományos elképzeléseket magyarázni a látszólag„ triviális ”dolgokról (idézőjeleket teszünk, mert semmi sem triviális, ha alaposan megnézi), például bor, víz, petróleum a repülőgépben vagy freon légkondicionálókban. Legalább néhány oldalanként minden olvasói reakció így hangzik: "Hű, ezt nem tudtam!"
Mark Miodownik a londoni University College készítési intézetének igazgatója, egyetemi tanár és a népszerű tudományos könyvek egyik legtehetségesebb szerzője, két ragyogó kötettel az anyagtudományról.
Mindkettőt lefordították hazánkban, a Nyilvános gyűjteményben: Bestseller 10 csodaanyag, amelyet a Nemzeti Tudományos Kommunikációs Akadémia könyvdíjával és a Királyi Társaság Winton-díjával, valamint új könyvével, a „Liquid. Kellemes és veszélyes anyagok áramlanak az életünkbe ", amelyekből meghívjuk Önt, hogy élvezze egy olyan töredék alatt, amely felkelti a kíváncsiságát.
A repülőtér biztonsági ellenőrzésénél lefoglaltak mogyoróvajat, mézet, pesto szószt, fogkrémet és ami a legjobban fájt, egy üveg egymalátás whiskyt. Ilyen helyzetekben a mustárom elkerülhetetlenül megugrik. Olyanokat mondok, hogy "beszélni akarok egy felettesrel" vagy "a földimogyoró vaj nem folyékony", bár tudom, hogy az. A földimogyoróvaj folyik és felveszi a tartály alakját, amelyben elhelyezik - ezt a folyadékok teszik - tehát folyékony. Mindenesetre csak összerándul, hogy még most is, az „intelligens” technológiával teli világban a repülőtér biztonsági ellenőrzése nem képes különbséget tenni folyékony krém és folyékony robbanóanyag között.
A biztonsági ellenőrzésen keresztül több mint 100 milliliter folyadék átjutása 2006 óta tilos, de azóta észlelési technológiánk nem sokat fejlődött. Röntgen szkennerek észlelik a poggyászban lévő tárgyakat. Pontosabban figyelmezteti a biztonsági őrt, ha gyanús alakokkal találkozik: megkülönbözteti a fegyvereket a hajszárítótól és a tollkéstől. De a folyadékoknak nincs alakja. Csak a tartály alakját veszik fel, amelyben vannak. A repülőtéri szkennelési technológia mind a sűrűséget, mind a számos vegyi anyagot képes észlelni. De itt ismét problémák merülnek fel. A robbanásveszélyes nitroglicerin molekuláris összetétele például hasonló a mogyoróvajéhoz. Mindkettő szénből, hidrogénből, nitrogénből és oxigénből készül - de az egyik folyékony robbanóanyag, a másik pedig csak ... mi más, finom. Rengeteg veszélyes méreg, méreg, oxidálószer és kórokozó létezik, amelyeket hihetetlenül nehéz megkülönböztetni az ártalmatlan folyadékoktól gyorsan és biztonságosan. Ez az érv, amelyet számos biztonsági őrtől (és feletteseiktől) hallottam, általában arra késztet, hogy - vonakodva - elfogadjam, hogy a mogyoróvajom vagy más folyadékom, amit folyamatosan elfelejtek Kiveszem őket a kézipoggyászból, jelentős kockázatot jelentenek.
És milyen fürdőszoba lenne teljes anélkül, hogy rengeteg szarv lenne üveg folyékony szappannal, samponnal és balzsammal, üveg krémmel és tubus fogkrémmel? Szeretjük ezeket a csodálatos folyadékokat, de aggasztanak is minket: nem ártanak-e nekünk? Nem okoz rákot is? Nem árt a környezetnek? Folyadékok esetében az öröm és a gyanakvás együtt jár. Természetüknél fogva kettősségűek - sem gázok, sem szilárdak, hanem valami középen, valami felfoghatatlan és titokzatos.
Si Csang Csin császár, a Qin-dinasztia alapítója.
A higany nem az egyetlen folyadék, amely fogyaszt és más anyagokat tartalmaz. Ha sót adunk a vízhez, gyorsan eltűnik - a só valahol van, de hol és mi történt vele? És mégis, ha olajba öntjük, a só ott marad. Miért? A folyékony higany elnyeli a szilárd aranyat, de elutasítja a vizet. Miért? A víz elnyeli a gázokat, beleértve az oxigént is; ha nem ez lenne, egészen más világban élnénk - a vízben oldott oxigén lehetővé teszi a halak számára a lélegzést. Ezután bár a víz nem képes elegendő oxigént elnyelni az emberi légzéshez, más folyadékok képesek. Van egyfajta olaj - fluor-szénhidrogén -, amely kémiai és elektromos szempontból nagyon nem reagál. Ez annyira tehetetlen, hogy mobiltelefonját egy pohárba teheti ezzel az anyaggal, és ez továbbra is normálisan fog működni. A fluorozott szénhidrogén olyan magas koncentrációban képes felszívni az oxigént, hogy az ember számára légáteresztővé válik - a levegő helyett folyadékot szív be - sokféle felhasználási lehetőséggel, amelyek közül a legfontosabb a koraszülöttek kezelése, akik légzési distressz szindrómában szenvednek (nt: olyan állapot, amelyben a nem teljesen fejlett tüdőalveolusok nem juttatnak elegendő oxigént a vérbe).
De minden folyékony víznek megvan a végső tulajdonsága az élet létrehozása. Ennek oka, hogy nemcsak az oxigént oldja fel, hanem sok más anyagot is, beleértve a szénalapú molekulákat is; ezért ez az élet megjelenésének optimális környezete - az új organizmusok spontán keletkezéséhez. Legalábbis ezt mondja az elmélet. Ezért, amikor más bolygókon keresik az élet jeleit, a tudósok folyékony vizet keresnek. De a folyékony víz ritka az Univerzumban. Lehetséges, hogy Európában, a Jupiter egyik hónapjában folyékony vizű óceánok találhatók a jégtakaró alatt. Folyékony víz is lehet az Enceladuson, a Szaturnusz egyik holdján. De a Föld az egyetlen test a Naprendszerben, amelynek nagy mennyiségű vize könnyen hozzáférhető a felszínhez.
A felületi hőmérsékletek és nyomások, amelyek lehetővé teszik a víz folyékony formában való jelenlétét, egyedülálló körülményekből adódtak. Pontosabban, ha nem a Föld olvadt fémekből készült folyékony magja lenne a mágneses mező forrása, amely megvéd minket a napszéltől, akkor valószínűleg minden vízünk több milliárd évvel ezelőtt eltűnt volna. Röviden, a bolygónkon a folyadék a folyadékból és abból az életből született.
De a folyadékok is romboló hatásúak. A hab puha, mert könnyen összenyomódik; ha felpattan egy hab matracra, akkor érzi, hogy utat enged magának. A folyadékok nem így viselkednek; éppen ellenkezőleg, áramlik - minden molekula előrelép a másik molekula által felszabadított térben. A folyókon észleljük a jelenséget, amikor bekapcsoljuk a csapot, vagy amikor kávét keverünk egy teáskanállal. Amikor leugrunk egy trambulinról és megérintjük a vizet, annak külön kell válnia, hogy helyet biztosítson az Ön számára. De ez a szétválasztás időbe telik, és ha az ütközési sebesség túl nagy, a víz nem lesz képes elég gyorsan lefolyni, és nyomást gyakorol rád. Ezért az erő, amely szúrja a bőrt, amikor beleveti magát a medencébe, és amely egy magas ugrás után érintkezik a vízzel, nagyon hasonlít a betonra való leszálláshoz. A víz összenyomhatatlansága az oka annak is, hogy a hullámok ekkora halálos erőt képesek kifejteni, és hogy a szökőár hulláma lerombolhatja az épületeket és városokat, és autókat dobál körül, mint egy törött ágat. Például a 2004-es indiai-óceáni földrengés szökőár-sorozatot váltott ki, amely tizennégy országban 230 000 ember életét vesztette. A súlyosság szempontjából ez volt a történelem nyolcadik természeti katasztrófája.
A folyadékok másik veszélyes tulajdonsága a robbanási képességük. Amikor PhD fokozatomat Oxfordban kezdtem, kis mintákat kellett előkészítenem az elektronmikroszkóphoz. A folyamat során az elektrokémiai polírozóoldat nevű folyadékot mínusz 20 ° C hőmérsékletre hűtjük. A folyadék butoxietanol, ecetsav és perklórsav keveréke volt. Megmutatta nekem, hogyan kell csinálni egy másik doktoranduszt a laborban, Andy Godfreyt, és azt hittem, megértettem. Néhány hónap múlva Andy észrevette, hogy az elektrokémiai polírozás során gyakran hagyjuk az oldatot felmelegedni. - Nem tenném - mondta egyik nap, és felvonta a szemöldökét, miközben a vállam fölött nézett. Amikor megkérdeztem tőle, miért, a laboratóriumba irányított a vegyi anyagokkal kapcsolatos veszélyek kézikönyvéhez:
A perklórsav maró sav, amely elpusztítja az emberi szöveteket. A perklórsav belélegezve, lenyelve vagy bőrrel vagy szemmel érintkezve veszélyes lehet az egészségre. Szobahőmérséklet fölé melegítve vagy 72% (bármely hőmérsékleten) magasabb koncentrációban alkalmazva a perklórsav erős oxidáló savvá válik. A szerves anyagok különösen hajlamosak perklórsavval keverékben bekövetkező spontán égésre. A perklórsavgőzök sokkérzékeny perklorátokat képezhetnek a szellőzőcsatornákban.
Más szavakkal, felrobban.
A laboratóriumban kutatva sok színtelen folyadékot találtam, ugyanolyan átlátszót, amelyek többségét lehetetlen megkülönböztetni. Használtam például fluorsavat, amely amellett, hogy lyukakat képez a betonban, a fémekben és a húsban, érintkezéskor is mérgező, gátolja az idegek működését. A hatás finom - pontosabban: nem érzed, amikor megéget. A véletlen expozíció nagyon könnyen észrevétlen maradhat, miközben a sav rágja a bőrt.
Az alkohol pedig a mérgek kategóriájába tartozik. Igaz, csak nagy dózisokban nyilvánul meg, de több kárt okozott, mint a fluorsav. Ennek ellenére óriási szerepe van a társadalomban és a világ minden táján található kultúrákban; a történelem során antiszeptikus, köhögéscsillapító, ellenszer, nyugtató és üzemanyagként használták. Fő vonzó funkciója az idegrendszeri depresszáns: pszichoaktív gyógyszer. Sokan nem képesek működni a napi pohár bor nélkül, és a társasági események többsége az alkoholt felszolgáló helyek körül forog. Nem bízunk ezekben a folyadékokban (és helyesen), de mégis szeretjük őket.
Érezzük az alkohol fiziológiai hatásait, amikor felszívódik a vérbe. A szívverés folyamatosan emlékeztet bennünket a vér szerepére a testben és annak állandó keringésének szükségességére: a szivattyú működésének köszönhetően dolgozunk, és amikor leáll, meghalunk. A világ összes folyadékából azt mondhatnánk, hogy a vér az egyik legfontosabb. Szerencsére ma helyettesíthetjük a szívünket, elvégezhetünk bypass műveleteket, és összekapcsolhatjuk őket a test különböző pontjain és azon kívül. Még a vért is át lehet önteni, kivonni, tárolni, megosztani, lefagyasztani és újra életre hívni. Valójában évente emberek milliói halnának meg vérbank nélkül, akik műtéten vagy közúti baleseten szenvednek, vagy megsérülnek a háborús övezetekben.
De a vér megfertőződhet például HIV-vel vagy a hepatitis vírussal, így árthat. Ezért figyelembe kell vennünk a vér és minden folyadék kettős jellegét. A fontos kérdés nem az, hogy megbízhatunk-e egy adott folyadékban, akár jó, akár rossz, egészséges vagy mérgező, finom vagy undorító, hanem az, hogy eléggé megértjük-e ahhoz, hogy használni tudjuk.
A folyadékok vezérléséből fakadó erő és öröm szemléltetésének legjobb módja, ha megfigyeljük az utasokat egy repülőgépen. Tehát erről szól ez a könyv: egy transzatlanti repülésről és minden furcsa és csodálatos folyadékról. Felszálltam a repülőgépre, mert a doktori fokozat alatt nem sikerült felrobbantanom magam, de folytattam az anyagtudományi kutatásomat, és a londoni University College-ban a Institute of Making igazgatója lettem. Kutatásunk egy része arra koncentrál, hogy miként lehet a folyadékokat szilárd anyagnak álcázni. Például az aszfalt az utakon, mint a mogyoróvaj, folyékony, bár szilárdnak tűnik. Tanulmányainknak köszönhetően meghívásokat kaptunk konferenciákra szerte a világon, és ez a könyv egy ilyen, Londonból San Franciscóba tartó repülés történetét meséli el.
Az "óceán" bolygó természetes színekben készült fényképen, 2019 júniusától, a NASA DSCOVR műholdjával készült.
A repülést a molekulák, a szívverés és az óceán hullámainak nyelvén írják le. Célom, hogy feltárjam a folyadékok titokzatos tulajdonságait, és megmutassam, hogyan függtünk tőlük. Repülni fogunk Izland vulkánjain, Grönland fagyott területe felett, a Hudson-öböl közelében lévő tavak felett, majd délre a Csendes-óceán partjaig. Elég nagy hely ahhoz, hogy folyadékokról beszélhessünk az óceán létra felől a felhőbe eső cseppekig, megvizsgálva a gép képernyőjén látható különös folyadékkristályokat, a hajózószemélyzet által felszolgált italokat és természetesen az üzemanyagot, amely a sztratoszférában tartja a gépet.
Minden fejezetben a repülés külön szakaszát és a folyadékok tulajdonságait tárgyalom, amelyek lehetővé tették: égési, oldódási vagy infúziós képességüket, hogy csak néhányat említsünk. Bemutatom, hogy a kapillaritás, a kondenzáció, a viszkozitás, az oldhatóság, a nyomás, a felületi feszültség és a folyadékok sok más furcsa tulajdonsága lehetővé teszi számunkra, hogy a föld körül repüljünk. Így elmagyarázom, hogy a folyadékok milyen irányban követik a fák felfelé áramlásának irányát, de a dombokon lefelé, miért ragadós az olaj, hogyan juthatnak el idáig a hullámok, miért száradnak ki a dolgok, hogyan lehet néhány folyadék kristályok, hogyan ne mérgezd meg magad, amikor otthon készíted az alkoholtartalmú italokat, és ami a legfontosabb: hogyan lehet tökéletes teát készíteni. Szóval meghívlak, hogy repüljön velem.
Furcsa és csodálatos utazást ígérek neked.