Научната магия на течностите - Mindcraft Stories
Наскоро публикувано от нас, от приятели от издателство Publica, „Liquid. Приятни и опасни вещества, протичащи през живота ни “е една от най-добрите книги за популяризиране на науката през последните години, която управлява„ невъзможното “: да обясни ясно и добре сложни научни представи за привидно„ тривиални “неща (слагаме в кавички, защото нищо не е тривиално, ако го погледнете внимателно), като виното, водата, керосинът в самолета или фреонът в климатиците. Поне веднъж на всеки няколко страници реакцията на всеки читател ще бъде: „Уау, не знаех това!“
Марк Миодовник е директор на Institute of Making в University College, Лондон, университетски професор и един от най-талантливите автори на научно-популярни книги, с два блестящи тома за науката за материалите.
И двете бяха преведени у нас, в Публичната колекция: Бестселър 10 чудесни материала, наградени с книжната награда на Националната академия за комуникация в науките и наградата Winton на Кралското общество, както и новата му книга „Течност. Приятни и опасни вещества, които текат през живота ни ", от които ви каним да се насладите под фрагмент, който ще предизвика любопитството ви.
При проверката за сигурност на летището бях конфискуван за фъстъчено масло, мед, сос песто, паста за зъби и, което най-много ме нарани, бутилка едномалцово уиски. В такива ситуации горчицата ми неизбежно скача. Казвам неща като „Искам да говоря с по-висш“ или „Фъстъченото масло не е течно“, въпреки че знам, че е така. Фъстъченото масло тече и приема формата на контейнера, в който е поставено - това правят течностите - така че е течно. Както и да е, просто ме настръхва, че дори и сега, в свят, пълен с „интелигентна“ технология, контролът за сигурност на летището не може да различи разликата между течна сметана и течен експлозив.
Преминаването на повече от 100 милилитра течност чрез проверки за сигурност е забранено от 2006 г., но оттогава технологията ни за откриване не се е подобрила много. Рентгеновите скенери откриват предмети в багажа. По-конкретно, той предупреждава охранителя, когато срещне подозрителни форми: различава оръжията от сешоарите и ножовете за писалки. Но течностите нямат форма. Те просто приемат формата на контейнера, в който са. Технологията за сканиране на летището може да открие както плътност, така и редица химикали. Но тук отново възникват проблеми. Молекулярният състав на експлозивния нитроглицерин например е подобен на този на фъстъченото масло. И двете са направени от въглерод, водород, азот и кислород - но едното е течен експлозив, а другото е просто ... какво друго, вкусно. Има огромен брой опасни токсини, отрови, оксиданти и патогени, невероятно трудно да се разграничат от безвредни течности бързо и безопасно. Именно този аргумент, който съм чувал от много охранители (и техните началници), обикновено ме кара да приема - с неохота - че фъстъченото ми масло или друга от течностите, за които непрекъснато забравям Изваждам ги от ръчния си багаж, те представляват значителен риск.
И каква баня би била пълна без рог в изобилие с бутилки течен сапун, шампоан и балсам, буркани със сметана и туби с паста за зъби? Обичаме тези чудотворни течности, но те също ни притесняват: не ни ли нараняват? Не причинява ли и рак? Не вреди ли на околната среда? В случай на течности, удоволствието и подозрението вървят ръка за ръка. Те са двуличност по самото си естество - нито газ, нито твърдост, а нещо в средата, нещо непостижимо и мистериозно.
Император Цин Ши Хуанг, основателят на династията Цин.
Живакът не е единствената течност, която може да консумира и съдържа друго вещество. Ако добавим сол към водата, тя бързо ще изчезне - солта е някъде, но къде и какво се е случило с нея? И все пак, ако го изсипем в масло, солта остава там. Защо? Течният живак абсорбира твърдо злато, но отхвърля водата. Защо? Водата абсорбира газове, включително кислород; ако не беше това, щяхме да живеем в съвсем различен свят - разтвореният във водата кислород позволява на рибите да дишат. Тогава, въпреки че водата не може да абсорбира достатъчно кислород за човешкото дишане, други течности могат. Има един вид масло - флуоровъглерод - много нереагиращо от химическа и електрическа гледна точка. Той е толкова инертен, че можете да поставите мобилния си телефон в чаша с това вещество и той ще продължи да работи нормално. Също така, флуоровъглеродът може да абсорбира кислород в толкова висока концентрация, че да стане дишащ за хората - да вдишва течност вместо въздух - с много възможни приложения, най-важното от които е лечението на недоносени бебета, страдащи от синдром на дихателен дистрес (nt: състояние, при което непълно развитите белодробни алвеоли не пренасят достатъчно кислород в кръвта).
Но цялата течна вода има върховното свойство да генерира живот. Причината е, че той разтваря не само кислород, но и много други вещества, включително молекули на основата на въглерод; следователно това е оптималната среда за поява на живот - за спонтанно генериране на нови организми. Поне така казва теорията. Ето защо, когато търсят признаци на живот на други планети, учените търсят течна вода. Но течната вода е рядка във Вселената. Възможно е в Европа, един от месеците на Юпитер, да има океани с течна вода, под ледената покривка. Може да има и течна вода на Енцелад, една от спътниците на Сатурн. Но Земята е единственото тяло в Слънчевата система с голямо количество вода, лесно достъпно за повърхността.
Повърхностните температури и налягания, които позволяват на водата да присъства в течна форма, са резултат от множество уникални обстоятелства. По-конкретно, ако не беше течното ядро на Земята, направено от разтопени метали, източникът на магнитното поле, което ни предпазва от слънчевия вятър, цялата ни вода вероятно щеше да изчезне преди милиарди години. Накратко, на нашата планета течността се е родила от течността, а от нея - животът.
Но течностите също са разрушителни. Пяната е мека, защото се компресира лесно; ако скочите на дунапренен матрак, усещате как отстъпва под вас. Течностите не се държат така; напротив, тече - всяка молекула напредва в пространството, освободено от друга молекула. Забелязваме явлението в реките, когато отваряме крана или когато смесваме кафе с чаена лъжичка. Когато скочим от батут и докоснем водата, тя трябва да се отдели, за да направи място за вас. Но това разделяне отнема време и ако скоростта на удара е твърде висока, водата няма да може да се оттича достатъчно бързо и ще ви окаже натиск. Оттук и силата, която боде кожата ви, когато се хвърлите в басейна и която осъществява контакт с водата след скок във височина, за да бъде много подобна на кацането върху бетон. Несвиваемостта на водата е и причината, поради която вълните могат да упражняват такава смъртоносна сила и защо вълната цунами може да разруши сгради и градове, хвърляйки коли наоколо като счупени клони. Например земетресението в Индийския океан през 2004 г. предизвика поредица от цунами, при които загинаха 230 000 души в четиринадесет страни. По отношение на гравитацията това беше осмото природно бедствие в историята.
Друго опасно свойство на течностите е способността им да експлодират. Когато започнах докторантура в Оксфорд, трябваше да подготвя малки образци за електронния микроскоп. Процесът включва охлаждане на течност, наречена електрохимичен разтвор за полиране, до температура от минус 20 ° C. Течността представлява смес от бутоксиетанол, оцетна киселина и хлорна киселина. Той ми показа как да направя още един докторант в лабораторията, Анди Годфри, и аз си помислих, че разбирам. Но след няколко месеца Анди забеляза, че често оставяме разтвора да се нагрее по време на електрохимично полиране. „Не бих направил това“, каза той един ден и повдигна вежди, докато поглеждаше през рамото ми. Когато го попитах защо, той ме насочи към ръководството за химически опасности в лабораторията:
Перхлорната киселина е корозивна киселина, която разрушава човешките тъкани. Перхлорната киселина може да бъде опасна за здравето при вдишване, поглъщане или контакт с кожата или очите. Нагрята над стайна температура или използвана при концентрации над 72% (при всяка температура), хлорната киселина се превръща в силна окислителна киселина. Органичните вещества са особено податливи на самозапалване в смес или контакт с хлорна киселина. Парите на перхлорна киселина могат да образуват чувствителни на удар перхлорати във вентилационните канали.
С други думи, експлодира.
Търсейки лабораторията, открих много безцветни течности, също толкова прозрачни, повечето от които невъзможни за разграничаване. Използвах например флуороводородна киселина, която освен че прави дупки в бетон, метали и месо, е и токсична при контакт, инхибирайки функционирането на нервите. Ефектът е фин - по-точно не го усещате, когато ви изгаря. Случайното излагане може да остане незабелязано много лесно, докато киселината гризе кожата ви.
А алкохолът попада в категорията на отровите. Разбира се, той се проявява само в големи дози, но е причинил повече вреда от флуороводородната киселина. И все пак, той има огромна роля в обществото и в културите по целия свят; през цялата история той се използва като антисептик, антитусив, антидот, транквилизатор и гориво. Основната му привлекателна функция е тази на депресант на нервната система: това е психоактивно лекарство. Мнозина не могат да функционират без ежедневната си чаша вино и повечето социални събития се въртят около места, където се сервира алкохол. Нямаме доверие на тези течности (и с право), но все пак ги обичаме.
Усещаме физиологичните ефекти на алкохола, когато той се абсорбира в кръвта. Сърдечният ритъм постоянно ни напомня за ролята на кръвта в тялото и нейната нужда да циркулира непрекъснато: ние работим благодарение на действието на помпата и когато тя спре, ние умираме. От всички течности в света бихме могли да кажем, че кръвта е една от най-важните. За щастие днес можем да заменим сърцата си, можем да извършваме байпас операции и да ги свързваме с различни точки в тялото и извън него. Дори кръвта може да бъде прелята и извлечена, съхранена, разделена, замразена и върната към живот. Всъщност милиони хора, които претърпяват операция или пътни инциденти или са ранени във военни зони, ще умрат без кръвни банки всяка година.
Но кръвта може да бъде заразена, например с ХИВ или вируса на хепатит, така че да навреди. Следователно трябва да вземем предвид двуличния характер на кръвта, както и на всички течности. Важният въпрос не е дали можем да се доверим на определена течност, дали тя е добра или лоша, дали е здравословна или отровна, вкусна или отвратителна, а по-скоро дали я разбираме достатъчно, за да можем да я използваме.
Най-добрият начин да илюстрираме силата и удоволствието, които получаваме от контрола на течностите, е да наблюдаваме пътниците в самолет. И така, за това е тази книга: трансатлантически полет и всички странни и прекрасни течности, участващи в него. Качих се на самолета, защото успях да не се взривя по време на докторантурата си, но продължих изследванията си в областта на материалознанието и станах директор на Института по производство в Университетския колеж, Лондон. Част от нашето изследване се фокусира върху това как течностите могат да бъдат маскирани като твърди вещества. Например асфалтът по пътищата е като фъстъченото масло течност, въпреки че създава впечатлението, че е твърд. Благодарение на нашите проучвания получихме покани за конференции по целия свят и тази книга разказва историята на такъв полет от Лондон до Сан Франциско.
Планетата "Океан", на снимка в естествени цветове, от юни 2019 г., направена със сателита DSCOVR на НАСА.
Полетът е описан на езика на молекулите, сърдечните удари и океанските вълни. Целта ми е да разкрия мистериозните свойства на течностите и да покажа как сме зависими от тях. Ще прелетим над вулканите на Исландия, над ледената шир на Гренландия, над езерата близо до залива Хъдсън, след това на юг до тихоокеанското крайбрежие. Това е достатъчно голямо пространство за разговори за течности от океанската стълба до капките в облаците, изследване на странните течни кристали на самолетните екрани, напитките, обслужвани от летателния екипаж и, разбира се, горивото, което задържа самолета в стратосферата.
Във всяка глава обсъждам отделен етап на полет и качествата на течностите, които направиха възможно: способността им да изгарят, разтварят или вливат, за да назовем само няколко. Показвам как капилярността, кондензацията, вискозитетът, разтворимостта, налягането, повърхностното напрежение и много други странни свойства на течностите ни позволяват да летим около земното кълбо. По този начин обяснявам как течностите следват посока на поток нагоре по дърветата, но надолу по хълмовете, защо маслото е лепкаво, как вълните могат да стигнат толкова далеч, защо нещата изсъхват, как могат да бъдат някои течности кристали, как да не се отровите, когато приготвяте алкохолните си напитки у дома и, може би най-важното, как да си направите перфектен чай. Затова ви каня да летите с мен.
Обещавам ви странно и прекрасно пътуване.