Всё о науке за 60 минут

Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.

Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.

Как необычность льда спасла цивилизацию

Звон кубиков льда в высоком стакане с любимым коктейлем навевает на меня воспоминания о жарких летних вечерах. К тому же в бокале, где есть лед, независимо от напитка, всегда происходит кое-что примечательное.

Давайте рассмотрим основные различия между жидкостями и твердыми телами. В качестве примера я приведу чистый спирт, или этанол, просто потому, что это очень удобное вещество. Молекулы жидкого этанола не крепко связаны друг с другом и могут свободно перемещаться. Это одно из ключевых свойств жидкости, и оно позволяет нам наливать жидкий этанол в емкости любой формы. Однако если вы заморозите этанол до –114 °C, он превратится в твердое вещество. И молекулы твердого этанола уже будут зафиксированы на месте в аккуратном массиве регулярной кристаллической решетки. То есть в твердом этаноле молекулы не могут свободно перемещаться, они связаны крепче, и каждая как бы занимает меньше места, так что твердый этанол плотнее, чем жидкий. Если вы сделаете кубики из твердого этанола и бросите их в стакан с жидким этанолом, они опустятся на дно.

Это справедливо практически для всех жидкостей в самом широком смысле этого слова: этанола, растительного масла, ртути, кислорода, стали. Твердое вещество всегда плотнее и тонет в жидкости. Однако вода выбивается из этого правила и вообще имеет много аномалий. В частности, плотность льда меньше, чем плотность воды, и лед плавает на ее поверхности.

Это объясняется способностью молекул воды образовывать особый тип химической связи – относительно слабую водородную связь. Вода чрезвычайно хороша в создании водородных связей, и в силу этого ей присущи также и другие странные характеристики, помимо расширения при замерзании. А именно – высокое поверхностное натяжение и капиллярное действие. В жидкой воде молекулы перемещаются с очень высокой скоростью и обладают весьма внушительным запасом энергии, препятствующим тому, чтобы водородные связи удерживали молекулы на месте. Следовательно, последние часто приближаются довольно близко друг к другу.

Когда температура падает ниже 0 °C, молекулы не могут сопротивляться водородным связям, так что они замедляются вплоть до остановки. Молекулы воды располагаются объемными слоями гексагональных решеток, причем расстояние между ними определяется длиной водородной связи. Сочетание такого специфического геометрического расположения и большой длины водородной связи обеспечивает меньшую плотность «упаковки» молекул воды относительно друг друга, чем в жидкой фазе. При меньшем количестве молекул воды, упакованных в заданное пространство, плотность уменьшается, а не увеличивается.

Хотя может показаться неважным, плавают ли кубики льда или тонут, эта особенность воды оказывает значительное влияние на наш мир. Например, огромная арктическая ледяная шапка со всеми живущими на ней белыми медведями и песцами плавает над Северным полюсом, а не лежит на дне океана. Неясно, каков был бы эффект, если бы дело обстояло иначе. Наверняка, если бы арктический лед тонул, началось бы постепенное накопление льда на дне океана, что охлаждало бы воду наверху, а с ней и всю атмосферу. Формировалось бы еще больше льда и так далее, пока океаны не стали бы полностью ледяными, мир превратился бы в гигантский снежный ком, и мы все погибли бы. Хотя я признаю, что это, пожалуй, все же немного мелодраматично. Во всяком случае, зимний лед на дне озер и ручьев точно привел бы к исчезновению многочисленных классов ракообразных, которые там живут.

Очевидно, что плотность замерзшей воды неизменна. Это фундаментальное физическое свойство, результат специфической химии воды. И эта особенность вовсе не счастливая случайность. Скорее, это результат движущей силы эволюции жизни на нашей планете. Если бы лед не плавал, нас почти наверняка бы здесь не было, и мы бы не обсуждали эту тему. Однако это, вероятно, последнее, что вы хотели бы слышать под звон кубиков льда в бокале, так что я предлагаю вам выбросить это из головы и насладиться напитком, прежде чем парадоксально плавающий в нем лед растает.