Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Структура воды под микроскопом

Олег, спасибо большущее за ответ, в принципе все понятно, желаю вам выслать описание микроскопа и наши физики говорят что при помощи него можно созидать изменение структуры воды за счет конфигурации строения молекул и атомов воды (к примеру вращение электронов в другую сторону).Что вы об этом думаете? Мне любопытно ваше мировоззрение, так опыт по Волге будет проходить конкретно в этом направлении а вот для того чтоб зафиксировать итог довольно стремительно, я пока ни у кого (Эмото это будет делать при помощи замораживания, С г-ном Коротковым мы пока общались не достаточно но он согласен быть там же)не увидела. Спасибо большущее!

Лена

Почетаемая Лена,

Для того чтоб изучить механизмы кристаллизации воды и формирование снежинок можно использовать обычный световой микроскоп с повышением в 500 раз. Но, способности светового микроскопа не беспредельны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, другими словами оптический микроскоп может быть применен только для исследования таких структур, малые размеры которых сравнимы с длиной волны светового излучения. Чем короче длина волны излучения, тем она сильнее и тем выше ее проникающая способность и разрешение микроскопа Наилучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (либо 200 нм), другими словами приблизительно в 500 раз улучшает человечий глаз.

Конкретно при помощи светового микроскопа узнаваемый японский исследователь Масару Эмото сделал свои изумительные фото снежинок и кристаллов льда и установил, что никакие два эталона воды не образуют стопроцентно схожих кристаллов при замерзании, и что их форма отражает характеристики воды, несет информацию о том либо ином воздействии, оказанном на воду. Для получения фото микрокристаллов капельки воды помещались в 50 чашек Петри и резко охлаждались в морозильнике в течение 2 часов. Потом они помещались в особый прибор, состоящий из холодильной камеры и светового микроскопа с присоединенным к нему фотоаппаратом. Эталоны рассматривались при температуре –5°С в под повышением 200—500 раз. В лаборатории М. Эмото были изучены эталоны воды из разных аква источников всего мира. Вода подвергалась разным видам воздействия, такие как музыка, изображения, электрическое излучение от телека, мысли 1-го человека и групп людей, молитвы, написанные и произнесенные слова.

Рис. Микрофотография снежинки льда, приобретенная на обыкновенном световом микроскопе.

Есть несколько модификаций световой микроскопии. К примеру, в фазово-контрастном микроскопе, действие которого основано на том, что при прохождении света через объект фаза световой волны изменяется согласно коэффициенту рефракции объекта, по этому часть света, проходящего через объект, оказывается сдвинутой по фазе на одну вторую длины волны относительно другой части, чем и обоснован контраст изображения. В интерференционном микроскопе употребляются эффекты интерференции света, возникающие при рекомбинации 2-ух наборов волн, которые делают изображение структуры объекта. Поляризационный микроскоп предназначен для исследования взаимодействия образцов с поляризованным светом. Поляризованный свет часто позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обыденного оптического разрешения.

Но все эти микроскопы не позволяют учить молекулярную структуру и они все имеют один главный недочет – они не применимы для исследования воды. Для того, чтоб проводить более четкие исследования нужно использовать более сложные и чувствительные микроскопичные способы, основанные на использовании не световых, а электрических, лазерных и рентгеновских волн.

Ла?зерный микроско?п более чувствителен, чем световой микроскоп и позволяет следить объекты на глубине более 1-го мм, используя явление флуоресценции, при котором владеющее низкой энергией фотоны лазерного излучения, возбуждает способную к флюоресценции молекулу либо часть молекулы в наблюдаемом объекте — флюорофор. Результатом этого возбуждения является следующее испускание возбужденными молекулами флюоресцирующего эталона флюоресцентного фотона, который усиливается при помощи высокочувствительного фотоумножителя, формирующего изображение. В лазерном микроскопе луч инфракрасного лазера сфокусирован при помощи собирающей линзы объектива. Обычно употребляется частотный 80 МГц сапфировый лазер, испускающий импульс с продолжительностью 100 фемтосекунд, обеспечивающей высшую плотность фотонного потока.

Лазерный микроскоп предназначен для исследования многих содержащих флюорофорные группы биообъектов. На данный момент есть 3-х мерные лазерные микроскопы, которые позволяют получать голографические рисунки. Таковой микроскоп состоит из пары водонепроницаемых отсеков, разбитых камерой, в которую поступает вода. В одном из отсеков находится голубий лазер, который фокусируется на крохотном отверстии размером с булавочную головку, сканируя поступающую в камеру воду. Во 2-м отсеке напротив отверстия встроена цифровая камера. Лазер генерирует сферические световые волны, которые распространяются в воде. Если свет попадает на микроскопичный объект (скажем, бактерию) – происходит дифракция, другими словами молекула делает преломление луча света, которое фиксирует камера. Более нередко применяемые флюорофоры имеют диапазон возбуждения в промежутке 400-500 нм, в то время как длина волны возбуждающего лазера находится в промежутке 700-1000 нм (область инфракрасных волн).

Но, для исследовательских работ структуры воды лазерная спектроскопия не подходит, так как вода прозрачна для лазерного излучения и флюорофорных групп не содержит, а лазерный луч с длиной волны 1400 нм существенно поглощается водой в живых тканях.

Для структурного исследования воды может быть применен рентгеновский микроскоп, который основан на использовании электрического рентгеновского излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра и предназначен для исследования очень малых объектов, размеры которых сравнимы с длиной рентгеновской волны. Современные рентгеновские микроскопы по разрешающей возможности находятся меж электрическими и световыми микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа добивается 2-20 нанометров, что на два порядка больше разрешающей возможности обыденного светового микроскопа (до 20 микрометров). В текущее время есть рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров, да и такое разрешение недостаточно для исследования атомов и молекул.

?Другая модификация рентгеновского микроскопа — лазерный рентгеновский микроскоп употребляет принцип лазерного луча на свободных электронах установки, которая генерирует инфракрасный луч мощностью 14,2 кв с сечением в 0,1 нанометра. Генерируемый луч образует плазменное скопление частиц при встрече луча с микрочастицей. Закрепляемые при всем этом изображения возбуждённых микрочастиц имеют разрешение в 1,61 мкр. Чтоб получить изображения молекул с атомарным разрешением, требуются лучи с ещё более маленькими длинами волны, то не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140

 

Рис. Схема лазерного рентгеновского микроскопа.

• 1 —Лазерное излучение

• 2 —Испускаемое излучение

• 3 — Зона встречи лазерного излучение с частичкой материи

• 4 — Генератор частиц

• 5 —Фотосенсор — приёмник диапазона электрических излучений возбужденных частей плазменного облака

• 6 — Оптическая линза

• 7 — Вигглер

• 8 — Линейный источник когерентного света Linac Coherent Light Source — LCLS

• 9 — Частичка

• 10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза

В 2004 году Южноамериканский государственный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч сформировывала в вигглере — установке, состоящей полосы из массивных электромагнитов либо неизменных магнитов с чередующимися полюсами. Через него пропускается пучок электронов с высочайшей скоростью, направляемые ускорителем. В магнитных полях вигглера электроны принуждают двигаться по сферическим траекториям. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерных установках собирается и усиливается системой из обыденных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Изменение энергии лазерного пучка и характеристик вигглера (к примеру, расстояние меж магнитами) дает возможность изменять в широких границах частоту лазерного луча. Другие системы: твердые либо газовые лазеры с накачкой массивных ламп этого обеспечить не могут.

Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для нашей Рф – большая экзотика. Самым массивным из всех имеющихся микроскопов является электрический микроскоп, который позволяет получать изображения с наибольшим повышением до 106 раз, позволяя созидать микрочастицы и даже отдельных молекулы, используя для их освещения пучок электронов с энергиями 100-200 кВт. Разрешающая способность электрического микроскопа в 1000?10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для наилучших современных устройств может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электрическом микроскопе употребляются особые магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора с помощью магнитного поля.

Чтоб получить изображения огромных молекул с атомарным разрешением, требуется провести опыт, используя лучи с ещё более маленькими длинами волны, другими словами применив не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140

В 2004 году Южноамериканский государственный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч сформировывала в вигглере — установке, состоящей полосы из массивных электромагнитов либо неизменных магнитов с чередующимися полюсами. Через него пропускается пучок электронов с высочайшей скоростью, направляемые ускорителем. В магнитных полях вигглера электроны принуждают двигаться по сферическим траекториям. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерных установках собирается и усиливается системой из обыденных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Изменение энергии лазерного пучка и характеристик вигглера (к примеру, расстояние меж магнитами) дает возможность изменять в широких границах частоту лазерного луча. Другие системы: твердые либо газовые лазеры с накачкой массивных ламп этого обеспечить не могут. Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для Рф – большая экзотика. 

Электрический микроскоп

Одним из самых массивных из всех имеющихся микроскопов является электрический микроскоп, который позволяет получать изображения с наибольшим повышением до 106 раз, благодаря использованию заместо светового потока с энергиями 30?200 кВт и поболее. Разрешающая способность электрического микроскопа в 1000?10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для наилучших современных устройств может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электрическом микроскопе употребляются особые магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора с помощью магнитного поля.

На данный момент электрический микроскоп — один из важных устройств для базовых исследований строения вещества, в особенности в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

Рис. — фото справа — Электрический микроскоп

Есть три главных вида электрических микроскопов. В 1930-х годах был придуман обыденный просвечивающий электрический микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электрический микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг дружку в исследовательских работах структур и материалов различных типов.

Но в 90-х годах прошедшего века был сотворен микроскоп, более мощнейший чем электрический, способный проводить исследования на уровне атомов.

Атомно-силовая микроскопия была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.

Создание атомно-силового микроскопа, способного ощущать силы притяжения и отталкивания, возникающие меж отдельными атомами, отдало возможность проводить исследования объектов на наноуровне.

Набросок ниже. Остриё микро-зонда (верх, взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) и механизм работы сканирующего зондового микроскопа (взято из www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктиром показан ход луча лазера.

Основой атомно-силового микроскопа служит микрозонд, обычно изготовленный из кремния и представляющий из себя узкую пластинку-консоль (ее именуют кантилевером, от британского слова «cantilever» — консоль, опора). На конце кантилевера (длина — 500 мкм, ширина — 50 мкм, толщина – 1 мкм) размещен очень острый шип (высота – 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из 1-го либо нескольких атомов. При перемещении микрозонда повдоль поверхности эталона острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера (над шипом) размещена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и подымается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регится фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близкорасположенным атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика употребляются в системе оборотной связи, которая может обеспечивать, к примеру, постоянную величину силу взаимодействия меж микрозондом и поверхностью эталона. В итоге, можно строить объёмный рельеф поверхности эталона в режиме реального времени. Разрешающая способность атомно-силового микроскопа составляет приблизительно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности употребляет так именуемый квантово-механический «туннельный эффект». Сущность туннельного эффекта заключается в том, что электронный ток меж острой железной иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если меж иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его неизменным, можно сохранять неизменным и расстояние меж иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности кристаллов металлов.

Набросок. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на неизменном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.

При помощи сканирующего туннельного микроскопа можно не только лишь двигать атомы, да и создавать предпосылки для их самоорганизации. К примеру, если на железной пластинке находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет содействовать таковой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластинки. В итоге, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к железной пластинке.

Набросок. Слева – кантилевер (сероватый) сканирующего зондового микроскопа над железной пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белоснежным на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с сероватыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

При помощи сканирующего туннельного микроскопа д-р Анджелос Микаелидес (Angelos Michaelides) из Центра нанотехнологий в Лондоне и доктор Карина Моргенштерн (Karina Morgenstern) из института им. Лейбница в Ганновере изучили молекулярную структуру льда, о чем была посвящена их статья в журнальчике Nature Materials.

Рис. Изображение гексамера воды, приобретенное при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Размер гексамера в поперечнике — около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology

Для этого исследователи охлаждали водяной пар над поверхностью железной пластинки, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Скоро при помощи сканирующего туннельного микроскопа на железной пластинке удалось следить кластеры воды -гексамеры — 6 соединенных меж собой молекул воды. Исследователи также следили кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.

Разработка технологии, позволившей получить изображение кластера воды — само по себе принципиальное научное достижение. Для наблюдения пришлось уменьшить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабенькие связи меж отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Кроме тестов, в работе были применены теоретические подходы квантовой механики. Получены также принципиальные результаты о возможности молекул воды к рассредотачиванию водородных связей и к их связи с поверхностью металла.

Не считая микроскопии есть и другие способы исследования структуры воды – спектроскопия протонного магнитного резонанса, лазернаяи инфракрасная спекроскопия, дифракция рентгеновских лучей и др.

Другие способы также позволяют учить динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Способ ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, неизменными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким макаром, информацию о структуре молекулы.

Дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов на воде изучали много раз. Но подробных сведений о структуре эти опыты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы узреть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, но такие неоднородности должны быть большенными, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Но вода — только прозрачная жидкость. Единственный же итог дифракционных экспериментов — функции кругового рассредотачивания, то есть расстояния меж атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Эти функции для воды затухают еще резвее, чем для большинства других жидкостей. К примеру, рассредотачивание расстояний меж атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 A. 1-ый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение приблизительно равно длине водородной связи. 2-ой максимум близок к средней длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду размещаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный очень слабо, соответствует расстоянию до третьих и более отдалёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про последующие пики и говорить не приходится. Были пробы получить из этих рассредотачиваний более детализированную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер отыскали расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 A, а до шестого — 3,1 A. Это позволяет делать данные о далеком окружении молекул воды.

Другой способ исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Но из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у различных атомов не настолько очень, способ изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже примерно установлена другими способами. Потом для этого кристалла определяют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в процессе которого употребляют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры понятно. Потом на приобретенной таким макаром фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с еще большенными весами, чем на карте электрической плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, к примеру, найти положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Вероятна разновидность этого способа, которая заключается в том, что кристалл льда, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В данном случае нейтронная дифракция не только лишь позволяет установить, где размещены атомы водорода, да и выявляет те из их, способные обмениваться на дейтерий, что в особенности принципиально при исследование изотопного (H-D)-обмена. Схожая информация помогает подтвердить корректность установления структуры. Но все эти способы довольно сложны и требуют для проведения сильной дорогостоящей техники.

В результате тестов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важный параметр — коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. А новые способы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни не только лишь отдельных кластеров воды, да и время жизни разорванной водородной связи. Оказывается, кластеры достаточно неустойчивы и могут распадаться через 0,5 пс, но могут жить и несколько пикосекунд. А вот рассредотачивание времён жизни водородных связей очень велико Но это время не превосходит 40 пс, а среднее значение — несколько пс. Но всё это средние величины.

Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно и при помощи компьютерного моделирования, именуемого время от времени численным тестом, который позволяет исследователям рассчитывать новые модели воды.

С почтением,

К.х.н. О.В. Мосин

Комментарии запрещены.