Плазма из воды: Физики нагрели воду до 100 000 K за 75 фемтосекунд и рассмотрели тёплое плотное вещество / Хабр

Физики нагрели воду до 100 000 K за 75 фемтосекунд и рассмотрели тёплое плотное вещество / Хабр

Примерно через 70 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) большинство молекул воды уже распадается на водород (белый) и кислород (красный). Симуляция: Карл Калман, DESY/Уппсальский университет

Для исследования экзотических свойств материи в экстремальных условиях учёные из немецкого исследовательского центра по физике частиц DESY и Уппсальского университета (Швеция) провели эксперимент по сверхбыстрому нагреванию воды рентгеновским лазером (разером) — и посмотрели, совпадает ли результат с симуляцией.

Обычно нагревание при кипячении воды заключается в передаче молекулам кинетической энергии через вибрацию с помощью конвекции или теплоизлучением. Но в данном случае физики использовали иной метод, где энергия передаётся через ионизацию одиночными фемтосекундными импульсами рентгеновского лазера на свободных электронах. Это вызывает быструю ионизации с появлением экзотического состояния плазмы, известного как тёплое плотное вещество (warm dense matter, WOM).

Тёплое плотное вещество (ТПВ) — агрегатное состояние вещества, которое по своим параметрам находится между твёрдым телом и идеальной плазмой. Оно слишком плотное, чтобы быть описанным как плазма, и слишком горячее, чтобы относиться к физике конденсированных сред. Другими словами, это нечто среднее между плазмой и твёрдым телом. Оно намного плотнее, чем плазма (от 0,01 до 100 г на см³), а в некоторых случаях имеет удельный вес в два раза больше, чем твёрдое вещество, из которого получено. В общем, своеобразное вещество Шрёдингера.

Нынешний эксперимент по получению ТПВ из воды провела группа учёных под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) из Центра исследований лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY. Нагрев молекул с одновременным исследованием состояния проводилось с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальной лаборатории ускорителей SLAC (США). Разер осуществлял чрезвычайно интенсивные сверхкороткие вспышки рентгеновского излучения 6,86 кэВ (более 10⁶ Дж/см²) по струе воды.

«Это явно не обычный способ вскипятить воду, — говорит Калеман. — Обычно при нагревании молекулы просто встряхиваются сильнее и сильнее. Наше нагревание принципиально другое. Энергетические рентгеновские лучи выбивают электроны из молекул воды, тем самым разрушая баланс электрических зарядов. Внезапно атомы испытывают сильную отталкивающую силу и начинают бурно двигаться».

Менее чем за 75 фемтосекунды вода проходит фазовый переход от жидкости к плазме. Плазма — это состояние вещества, в котором электроны удалены из атомов, что приводит к своего рода электрически заряженному газу.

«Но во время превращения жидкости в плазму вода по-прежнему сохраняет плотность жидкости, так как атомы еще не успели значительно переместиться», — объясняет соавтор эксперимента Олоф Йонссон (Olof Jönsson) из Уппсальского университета. Такое экзотическое состояние материи невозможно найти в естественном состоянии на Земле: «У него такие же характеристики, как у некоторых плазм на Солнце и в газовом гиганте Юпитер, но только более низкая плотность. Между тем оно горячее, чем ядро Земли».

Проведение эксперимента именно на воде позволяет лучше узнать о свойствах воды в столь экзотическом состоянии. Это тем более важно, учитывая некоторые действительно уникальные свойства этого вещества: «Вода действительно странная жидкость, и если бы не её особенности, то многие вещи на Земле не были бы такими, как они есть, особенно жизнь», — подчеркнул Йонссон. У воды множество аномальных характеристик и свойств, включая плотность, теплоёмкость и теплопроводность.

В исследовательском центре по физике частиц DESY планируют более внимательно изучить аномалии воды в рамках проектов будущего Центра науки о воде (Centre for Water Science), который планируется открыть в DESY.

Проведённый эксперимент помог отработать методы отслеживания одиночных молекул с помощью рентгеновских лазеров. Учёные говоря, что рентгеновские лазеры на свободных электронах «открывают двери в новую эру структурной биологии, позволяя снимать биомолекулы и отслеживать динамику, недоступную с помощью существующих методов».

Научная статья опубликована 14 мая 2018 года в журнале PNAS (doi: 10.1073/pnas.1711220115, pdf).

 Возможности получения воды, активированной излучением плазмы

И.П. Иванова1, И.М. Пискарев2 1Приволжский исследовательский медицинский университет Минздрава России; 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ. E-mail: [email protected]     Введение. Известно применение холодной плазмы для обработки жидкости. В результате контакта плазмы с жидкостью в жидкости образуется широкий спектр вторичных активных частиц [1]. Среди них есть частицы, константы скорости реакций с которыми малы, так что вода после контакта с плазмой длительное время сохраняет химическую активность. Вода, сохраняющая свою активность после контакта с плазмой, называется активированная плазмой, АПВ, (PAW, plasmaactivatedwater) [2]. Общей особенностью методов генерирования АПВ является то, что все активные частицы формируются в самом разряде и при контакте с водой диффундируют в нее [3]. Интерес к АПВ связан с тем, что АПВ обладает сильным антимикробным эффектом. Одной из причин применения АПВ является возможность обрабатывать объект одновременно со всех сторон [4].     Когда разряд, генерирующий плазму, происходит на расстоянии от обрабатываемого объекта, в воде также образуются химически активные частицы при условии, что разряд импульсный [5]. Часть активных частиц образуется непосредственно в самой воде под действием излучения, другая часть образуется при поглощении водой активных частиц, образовавшихся в разряде и диффундирующих до поверхности образца. Состав активных частиц отличается от случая, когда плазма непосредственно контактирует с водой. Обусловлено тем, что УФ излучение разряда с длиной волны l > 200 нм, проходящее через воздух, не может разлагать воду на гидроксильные радикалы. А гидроксильные радикалы, образовавшиеся в самом разряде, гибнут на месте образования. В работе [6] сравнивается кислотный эффект самой плазмы и ее импульсного излучения. Установлено, что в обоих случаях достигается один и тот же эффект, но энергетические затраты при использовании излучения плазмы искрового разряда на порядок меньше.     В связи с этим представляет интерес изучить свойства воды, активированной излучением плазмы, так как активация воды излучением может оказаться более выгодным процессом, чем активация самой плазмой. Целью работы является изучение окислительно-восстановительных свойств воды, обработанной излучением плазмы искрового разряда и продуктами, образующимися в самом разряде сразу после обработки и в течение времени, когда вода сохраняет активность (до 14 дней).      Методика эксперимента. Источником излучения плазмы искрового разряда служил генератор ИР50 [5]. Излучатель состоял из разрядного контура и накопительной емкости. Кроме излучения в области разряда генерировались активные частицы, часть из которых могла диффундировать до поверхности обрабатываемого объекта и поглощаться водой. Частота повторения импульсов 50 Гц,  длительность переднего фронта импульса 50 нс, полная длительность импульса 5 мкс, энергия, выделяемая в одном импульсе 1.22×10-2 Дж.     Использовался ультрафиолетовый облучатель ОУФК-01 «Солнышко» (НПП «Солнышко», Россия) с лампой ДКБ-9 мощностью 9 Вт. Корпус лампы из увиолевого стекла, не пропускающего излучение с l < 200 нм. Лампа работает в непрерывном режиме, дает монохроматическое излучение с длиной волны 253.7 нм. Поток фотонов составляет, согласно паспортным данным, I0=5.4х10–8 моль см-2·с–1 на расстоянии 3 см от поверхности лампы.     Активированную воду получали путем обработки пробы воды объемом 5 мл искровым разрядом в течение 3 минут. Расстояние между поверхностью жидкости и областью разряда составляло 30 мм. После обработки пробы помещали в плотно закрывающиеся контейнеры объемом 50 мл.     Спектры поглощения измеряли спектрофотометром СФ-102, толщина кварцевой кюветы 10 мм. Оптическая плотность A = lg(I0/I)  (Бел) измерялась относительно дистиллированной воды. Концентрация перекиси водорода оценивалась путем введения свежеприготовленного реактива TiCl3. Перекись водорода образует с TiCl3 комплекс, имеющий полосу поглощения 410 нм. Концентрация азотистой кислоты определялась по пику 371 нм (e = 51 л моль-1 см-1) на основании данных работы [7].   Содержание окислительных эквивалентов в обработанной воде определяли по выходу окисления двухвалентного железа, вводимого в пробу после обработки. В качестве раствора двухвалентного железа использовали дозиметр Фрикке: водный раствор соли Мора 2 г/л, ([Fe2+] = 5.1х10-3 моль/л), в который добавляли 21 мл/л концентрированной серной кислоты (0.4 М) и 50 мг/л NaCl. Кислотность раствора Фрикке pH = 0.8. В пробу воды вводили 25 мл раствора Фрикке сразу после обработки (день 0), на следующий день после обработки (день 1), на второй день после обработки (день 2), и так далее до дня 14. После введения раствора Фрикке пробы продолжали хранить в тех же закрытых контейнерах. Определено время, необходимое для расходования всех активных частиц в реакции с Fe2+. На основании этого за концентрацию окислительных эквивалентов принимали концентрацию окисленного трехвалентного железа Fe3+ через 9 дней после введения в пробу раствора Фрикке. Получена зависимость концентрации окислительных эквивалентов в пробе воды по истечении заданного времени t(от 0 до 14 дней) с момента обработки до введения раствора Фрикке.     Содержание окисленного трехвалентного железа определяли по оптической плотности полосы 304 нм, коэффициент экстинкции e~ 2100 л моль-1 см-1 [8]. В случае, когда оптическая плотность этой полосы оказывалась больше 1.5, пробу разбавляли 0.4М серной кислотой. В качестве контрольной пробы использовалась дистиллированная вода, в которую также вводили раствор Фрикке (5 мл дистиллированной воды и 25 мл раствора Фрикке).       Окислительно-восстановительный потенциал определяли платиновым электродом относительно хлор-серебряного. Для этого эксперимента обрабатывали пробу воды объемом 30 мл. После обработки воду помещали в стакан объемом 50 мл, который герметически закрывали крышкой. Через отверстия в крышке вводили платиновый и хлор-серебряный электрод. Измерения продолжались 14 дней. Потенциал и величину рН измеряли прибором Эконикс-эксперт 001. Использовалась дважды дистиллированная вода, рН = 6.5 и химически чистые реактивы.     Результаты и обсуждение. Ранее было установлено, что химическая активность воды, проявляющаяся в изменении спектров поглощения и величины рН, сохраняется до 14 суток после обработки искровым разрядом [5], поэтому измерения характеристик воды продолжались 14 дней.     Под действием излучения образуются радикалы HO2, перекись водорода, азотистая кислота, распадающаяся на азотную, и долгоживущий комплекс, медленно распадающийся на пероксинитрит и пероксиазотистую кислоту [5]. Соединения азота образуются также при поглощении водой продуктов, диффундировавших из области разряда. Для разных окислителей константы скорости реакции  с двухвалентным железом отличаются, это определяет время реакции. Концентрация перекиси водорода мала, и она не играет заметной роли в исследуемом процессе.     Установлено, что реакции Fe2+ со всеми активными частицами заканчиваются через 9 дней. Поэтому для определения содержания окислительных эквивалентов в пробе брали величину оптической плотности полосы 304 нм через 9 дней после введения в пробу раствора Фрикке.      Результаты эксперимента, концентрация окислительных эквивалентов в пробе воды сразу после обработки и при хранении до 14 дней представлены в таблице 1. Наибольшая концентрация достигается сразу после обработки, со временем хранения она уменьшается. Фоновое значение концентрации, определяемое самопроизвольным окислением двухвалентного железа в контрольной пробе, составляет 0.04 ±0.02 (ммоль. экв)/л. В пределах ошибок концентрация окислителей на 14 день после обработки близка фоновой. Это означает, что за 14 дней все окислители, первоначально образовавшиеся в пробе, распадаются. Но вода сохраняет окислительную активность до 14 суток.     Из таблицы 1 видно, что сразу после обработки концентрация окислительных эквивалентов 22.4 ±2.5 (ммоль.экв)/л. Продуктом, который непосредственно идентифицируется по спектру поглощения пробы обработанной воды, является азотистая кислота [7]. Концентрация азотистой кислоты после обработки пробы воды в течение 3 минут мала, она составляла: 2.35   0.25 ммоль/л. Поэтому образованием только азотистой кислоты нельзя объяснить наблюдаемый выход окислительных эквивалентов. Большой выход окисления двухвалентного железа мог бы быть связанным с цепной реакцией. Проведенные эксперименты показывают, что под действием HO2, H2O2 и HNO2 цепная реакция не имеет место. Таблица. Характеристики воды, активированной излучением плазмы искрового разряда сразу после обработки (день 0) и в течение 14 дней после. Дни Концентрация окислителей,(ммоль экв)/л ОВП, EХСЭ (мВ) рН 0 22.4 ±2.5 553 ±5 2.47 ±0.05 1 10.8 ±1.1 556 ±5 2.4 ±0.05 2 4.64 ±0.6 567 ±5 2.38 ±0.05 3 1.79 ±0.3 574 ±6 2.35 ±0.05 4 1.6 ±0.3 626 ±9 2.31 ±0.05 5 0. 88 ±0.15 625 ±9 2.31 ±0.05 6 0.64 ±0.12 630 ±10 2.31 ±0.05 7 0.48 ±0.11 620 ±9 2.29 ±0.05 8 0.76 ±0.09 626 ±9 2.29 ±0.05 9 0.35 ±0.08 609 ±8 2.27 ±0.05 10 0.5 ±0.07 606 ±8 2.27 ±0.05 11 0.31 ±0.06 599 ±7 2.27 ±0. 05 12 0.28 ±0.06 614 ±8 2.25 ±0.05 13 0.094 ±0.02 588 ±6 2.25 ±0.05 14 0.05 ±0.02 585 ±6 2.23 ±0.05     Таким образом, под действием обработки искровым разрядом в воде образуются окислители, концентрация которых значительно больше концентрации окислителей, которые были непосредственно идентифицированы. Можно предположить, что основную роль играет комплекс, распадающийся на пероксинитрит и пероксиазотистую кислоту.     Значения окислительно-восстановительного потенциала ЕХСЭ за 14 дней представлены в таблице 1. Величина ЕХСЭ первые 4 дня увеличивается, с 4 по 10 день держится в пределах ошибок на одном уровне, с 11 по 14 день уменьшается.     Величина рН измерялась в той же пробе воды 30 мл, обработанной 1  час. Сразу после обработки рН = 2.47, со временем хранения уменьшается и достигает на 4-й день значения рН = 2.31. Далее в течение 5 – 14 суток величина рН продолжает уменьшаться.     В дистиллированной воде рН = 6.5 и ЕХСЭ = 420 мВ. Значение ЕХСЭ определяется концентрацией растворенного кислорода. При обработке генератором ИР50 в воде накапливаются кислотные остатки, поэтому рН уменьшается, а ЕХСЭ увеличивается.     Когда комплекс на 13 – 14-й день распадается, в растворе остаются продукты, не обладающие окислительной активностью, но меняющие остаточное значение рН. Изменения ЕХСЭ после обработки могут быть связаны с изменениями состава продуктов, остающихся в пробе.      Под действием излучения ртутной лампы с длиной волны 253.7 нм изменения характеристик воды за время обработки, много большее 3 минут, не наблюдалось. Отсюда следует, что основную роль в достижении химического эффекта имеет импульсный характер излучения плазмы и более короткая длина волны.     В работе [2] детально обсуждаются свойства АПВ (PAW), полученной с помощью скользящего разряда, и возможности применения этой воды. Воду предлагается применять для обработки продуктов. Сравним характеристики АПВ и воды, активированной излучением плазмы. Концентрация нитритов и нитратов в воде, обработанной скользящим разрядом 2 минуты, составляет 68 мг/л (или не более 1.5 ммоль/л). В воде, обработанной излучением плазмы, концентрация нитритов, обладающих более сильным антимикробным действием, чем нитраты, составляет 2.35 ±0.25 ммоль/л. Другие окислители, концентрация которых в 10 раз больше, могут давать дополнительный эффект. После 3 минут обработки излучением плазмы окислительно-восстановительный потенциал Ехсэ = 550 — 520 мВ, величина рН = 3.1 ±0.05. После обработки скользящим разрядом  Ехсэ ~ 470 мВ, рН = 3.2. Детальное сравнение энергетических затрат на обработку воды скользящим разрядом и излучением плазмы проведено в работе [6]. Показано, что в случае излучения плазмы энергетические затраты существенно меньше.      Вывод. Под действием излучения плазмы и продуктов, образующихся в самом разряде, вода становится активированной. Активность сохраняется длительное время. Ее характеристики позволяют использовать воду для тех же целей, что и плазмой активированную. Но энергетические затраты меньше. Список литературы P.J. Bruggeman, M.J. Kushner, B.R. Locke, et al. (41 authors) // Plasma Sources Sci. Technol. 2016 V.25. 053002 (59pp). Rohit Thirumdas, Anjinelyulu Kothakota, Uday Annapure, Kaliramesh Siliveru, Renald Blundell, Ruben Gatt, Vasilis P. Valdramidis // Trends in Food Science & Technology. 2018 V. 77. P. 21. J.-L. Brisset, L. Pawlat // Plasma Chem. Plasma Process. 2016 V.36(2). P.355. U. Schnabel, R. Niquet, C. Schmidt, J. Stachowiak, O. Schluter, M. Andrasch, J. Ehlbeck // International Journal of Environmental & Agriculture Research. 2016 V.2. P. 212. И.М. Пискарев, К.А. Астафьева, И.П. Иванова // Биофизика. Т И.М. Пискарев // Химия высоких энергий. Т. 50(4). С. 311. И.М. Пискарев // Химия высоких энергий. 2018 Т. 52(4). С. 331. А.К. Пикаев Дозиметрия в радиационной химии. М. Наука. 1975. С. 147.

Взаимодействие плазмы и воды: доказательства того, что увидеть нелегко | Новости | Новости и события | Исследования Нотр-Дама

Опубликовано: 19 июня 2015 г.

Автор: Нина Сварка

Если судить по истории, плазма (или наэлектризованные газы) и вода — отличные партнеры. На протяжении столетий контакт плазмы с водой приводил к значительным достижениям в науке и технике… от открытия озона и аргона до разработки одного из первых коммерческих процессов производства удобрений. Даже сегодня плазмы используются в больших населенных пунктах для очистки воды и в промышленности для обеззараживания поверхностей. Тем не менее, остается много вопросов о том, как происходят эти взаимодействия, в частности, что происходит, когда наэлектризованный газ касается воды? Что происходит со всеми газохимическими веществами? Самое главное, что происходит с электронами, частицами, несущими «электричество»? Это работа, которую проводит группа исследователей во главе с Дэвидом Го, адъюнкт-профессором аэрокосмической техники и машиностроения в Университете Нотр-Дам.

Фактически, новое исследование группы, опубликованное в выпуске Nature Communications от 19 июня, показывает, что электроны из плазмы атмосферного давления могут растворяться [сольватироваться] в воде, образуя тонкий слой «сольватированных электроны. Что не менее важно, команда также доказала, что с использованием плазменного подхода сольватированные электроны, которые являются одними из самых мощных химических агентов в природе, могут быть получены без дорогостоящего вакуумного оборудования [для повышения или понижения давления в плазме] или использования вредного излучения. . Полученная химия из сольватированных электронов обещает множество потенциальных применений, от восстановления окружающей среды и очистки воды до синтеза материалов и лечения рака.

Го и его команда продемонстрировали, что при контакте плазмы с водой свободные электроны переходят из плазмы в жидкость, где они сольватируются [растворяются]. Однако из-за того, что сольватированные электроны так сильно реагируют на другие химические вещества и элементы в растворах, их среднее время жизни составляет всего одну миллионную долю секунды, что затрудняет их наблюдение. «Хотя контакт плазмы с водой имеет очень долгую историю, в том числе решающую роль в открытии озона и аргона, это первый случай, когда кто-либо представил прямые доказательства того, что электроны, образовавшиеся в плазме, попадают в воду. Это важный шаг в понимании чрезвычайно сложной среды на границе раздела плазмы и воды», — сказал Го.

Чтобы увидеть сольватированные электроны, команде пришлось построить сложное устройство оптического поглощения. Процедура измерения, которая была первоначально разработана доктором наук Го. студент Пол Румбах использует то, что называется спектроскопией поглощения полного внутреннего отражения. По словам Румбаха, «мы направляем красный лазерный луч на поверхность воды под плазмой, где находятся сольватированные электроны, и электроны поглощают часть света лазерного луча. Луч отражается от поверхности и попадает в детектор, который сообщает нам, сколько света было поглощено».

В целом команда Го обнаружила, что сольватированные электроны проникают только примерно на 2,5 нанометра ниже поверхности воды, что соответствует примерно 5 слоям молекул воды. Хотя другие предполагали, что плазма будет производить сольватированные электроны в воде, это первое прямое наблюдение этого явления. Член команды Дэвид Бартелс, химик-радиолог из Университета, сказал: «Я не удивлен, что мы смогли увидеть сольватированные электроны, но их спектр оказался не таким, как мы ожидали. Нам предстоит еще много работы, чтобы понять очень сильное электрическое поле на поверхности воды».

Исторически сложилось так, что сольватированные электроны были получены с использованием высокоэнергетического ионизирующего излучения, такого как гамма-излучение или электронные пучки. Плазма атмосферного давления предлагает простую и экономичную альтернативу, свободную от вредного излучения и дорогостоящего вакуумного оборудования, которая, по мнению команды Го — Го, Румбаха, Бартельса и инженера-химика Р. Мохана Санкарана из Университета Кейс Вестерн — поможет освоить новую территорию. в области радиационной химии и электрохимии и находят широкое применение как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке новых технологий.

Статья появилась в выпуске журнала Nature Communications от 19 июня 2015 года.

— Подробнее см. на: https://engineering.nd.edu/news-publications/pressreleases/the-plasma-water-interaction-evidence-of-things-not-easyly-seen#sthash.vAz6ALiL.dpuf

Активированная плазмой вода для сельского хозяйства

Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения информации об исследованиях воды
, активированной плазмой, проведенной университетами Брауна и Дрекселя.

Разделы этой страницы:

ПЛАЗМЕННО-АКТИВИРОВАННАЯ ВОДА ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ПЛАЗМА И ВОДНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

ПЛАЗМЕННО-АКТИВИРОВАННАЯ ВОДА ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Плазменно-активированная вода (также известная как «плазменная вода»):

• Увеличивает скорость укоренения
• Уменьшить потребление воды
• Повышение всхожести семян
• Стимуляция роста растений
• Защита от вредителей

Путем воспроизведения естественных процессов:

• TED: Странные свойства воды, пораженной молнией
• Ответ природы химическим пестицидам | TEDxArnhem
• Что такое плазма?

Как это работает
Газовый разряд (плазма) инициируется источником питания плазмы в
газовом потоке, содержащем кислород и азот. Это ионизирует поток газа,
создавая ионы, радикалы и реактивные частицы. Этот разряд обеспечит
ряд ключевых химических процессов:

• Плазмохимическое производство NO и NOx.
• Плазмохимическое производство озона.
• Плазмохимическое производство реактивных частиц
  , включая (но не ограничиваясь ими)
  OH, HO ₂ и O( ³ P).

Другое применение

Плазма может использоваться на протяжении всего жизненного цикла свежих продуктов, от почвы до вилки:

• Стерилизация семян во время хранения
• Повышение всхожести семян
• Очистка воздуха, стерилизация и удаление летучих органических соединений в теплицах
• Обработка, стерилизация и очистка воды, используемой для мытья продукции после сбора урожая
• Дезинфекция продуктов перед упаковкой
• Очистка воздуха, стерилизация и удаление летучих органических соединений в помещениях для хранения фасованной продукции и транспортных средствах
• Борьба с вредителями и патогенами на витрине и при хранении в магазине
• Удаление этилена из воздуха для снижения скорости старения
• Стерилизация разделочных досок, ножей и другого оборудования для обработки пищевых продуктов как в домашних условиях, так и на предприятиях пищевой промышленности или в продуктовых магазинах
• Плазменное уничтожение опасных отходов и/или преобразование неопасных пищевых отходов в энергию

Вода необходима для всех форм жизни.