neste

Minna on hieman erilainen tapaus verrattuna suurimpaan osaan @suoranalabrasta -twiittaajista, sillä hän on aikuisopiskelija. Hän hyppäsi insinööri- ja laboratoriomaailmaan hiusalan yrittäjästä, mutta on tyytyväinen: "tämä on ollut kiehtovaa ja mukaansatempaavaa –aikuisopiskelu on ollut aivan mahtavaa!"

Hän opiskelee parhaillaan Turun ammattikorkeakoulussa prosessi- ja materiaalitekniikan insinööriksi ja valmistuu loppuvuodesta.

"Opintoni sisälsivät prosessi- ja materiaalitekniikan lisäksi matemaattis-luonnontieteellisiä aineita, laboratorioanalytiikkaa sekä laadun- ja projektinhallintaa. Teoriatietoa pääsin soveltamaan useissa erilaisissa yritysprojekteissa."

Alalle Minna kertoo hakeutuneensa yksinkertaisesti siksi, että hän on ollut kiinnostunut kemiasta ja kemianteollisuudesta. "Kiinnostukseni kierto- ja biotaloutta kohtaan ovat lisääntyneet entisestään tiedon ja opintojeni myötä".

Vajaan pikosekunnin kymmenyksen kestävä pikakuumennus tehtiin tehokkaalla röntgenlaserilla. LCLS-laitteisto (Linac Coherent Light Source) löytyy Yhdysvaltain Kansallisesta kiihdytinlaboratoriosta. Tutkijat kohdistivat lyhyitä, mutta hyvin voimakkaita laserpulsseja vesisuihkuun.

"Yleensä kun vettä kuumennetaan esimerkiksi mikroaalloilla, molekyylit alkavat vain liikkua yhä nopeammin. Käyttämämme kuumennusmenetelmä oli tyystin toisenlainen", selittää tutkimusta johtanut Carl Caleman.

"Energinen röntgensäteily iski elektronit irti vesimolekyyleistä, jolloin varausten tasapaino rikkoutui. Atomien välillä alkoi yhtäkkiä vaikuttaa voimakas hylkimisvoima, mikä sai ne liikehtimään hyvin rajusti."

Alle 0,000000000000075 sekunnissa veden olomuoto muuttui nesteestä plasmaksi. Sen tiheys oli kuitenkin edelleen sama kuin nestemäisen veden, sillä atomit eivät ehtineet lyhyessä hetkessä liikkua juuri mihinkään.

Paljain silmin katsottaessa pisaran putoaminen nesteeseen tapahtuu niin nopeasti, ettei siitä oikein näe mitään. Sen sijaan suurnopeuskameralla kuvattuna liike saadaan pysäytettyä, ja tuloksena on muun muassa tämä päivän kuva: pisara, joka on ilmassa, ja sen alla jännittävä nestepatsas sekä rengasmaisia aaltoja.

Kun pisara putoaa nesteeseen, saa se itse asiassa aikaan aaltoliikkeen, rengasmaisesti ympäristöön leviäviä aaltoja, joiden keskipisteessä on yksi erityisen korkea aalto – niin korkea, että se yläosa ponnistaa niin ylös, että se irtoaa nesteestä. Tuloksena on pisara ja sen alla nestepatsas.

Kannattaa kiinnittää huomiota myös pisaran muotoon: se ei ole normaalin, putoavan pisaran muotoinen, vaan pallo, koska itse asiassa tässä kuvan ottamisen hetkellä se on painoton. Pisara kun on fysikaalisesti katsottuna vapaassa heittoliikkeessä ja siksi se muotoutuu pintajännityksen vuoksi hyvin täsmälleen pallon muotoiseksi aivan kuten nesteet avaruudessa.

Kun pisara putoaa takaisin alas, on tuloksena uusi patsas, tosin jo huomattavasti matalampi. Se tuskin enää saa pisaraa irtoamaan kokonaan patsaasta.

Se, miten nestepatsas muodostuu, riippuu (paitsi painovoiman suuruudesta) niin myös ja ennen kaikkea nesteestä sekä siitä, kuinka liikkuvaa se on. Siis mikä on sen viskositeetti. Mitä jähmeämpää se on, sitä matalampi on rengasaaltojen keskelle muodostuva patsas ja sitä epätodennäköisempää on se, että siitä irtoaa pisara samaan tapaan kuin kuvassa.

Nesteiden viskositeetin ja käyttäytymisen tutkiminen ei tuota vain jännän näköisiä kuvia, vaan sillä on myös suoria käytännön sovelluksia; esimerkiksi mustesuihkuprintterit ja polttomoottorien sisällä tapahtuva palaminen ovat suoria nesteiden käyttäytymisen tutkimuksen sovelluskohteita.

Kuva: fdecomite / flickr

Ranskalaiset tutkijat ovat soveltaneet Leidenfrostin ilmiötä uudella tavalla. Jos vesipisara on paistinpannulla, jonka lämpötila on vain hieman yli 100 celsiusastetta, pisara hajoaa ja pannun pinnalle muodostuu vesihöyrykuplia.

Jos lämpötila sen sijaan on paljon korkeampi, yli 280 astetta, pisaran ja pannun väliin muodostuu höyrykerros, jonka varassa pisara leijuu koskettamatta pannun pintaa.

"Ilmatyyny" on kuitenkin mahdollista saada aikaan myös ilman korkeaa lämpötilaa. Sama onnistuu sähkövirralla. Tutkijat käyttivät kokeessaan laimeaa suolahappoliuosta, joka johtaa sähköä.

Kun metallipinnalla olevaan pisaraan johdettiin 50 voltin sähkövirta, metallilevyyn kulkeva sähkö alkoi hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi. Pisara kohosi ilmaan ja jäi leijumaan sinisenä hohtavan kaasukerroksen päälle (klikkaa kuva isommaksi).

Ensin tutkijat arvelivat, että kaasu on vetyä mutta tarkemmin tutkittaessa se osoittautui vesihöyryksi. Sähkövirta ionisoi sen, joten käytännössä sininen hohde tulee plasmasta. Tutkijat tulivat löytäneeksi edullisen ja helpon tavan tuottaa plasmaa, jonka aikaansaaminen vaatii yleensä korkeaa lämpötilaa ja suurta energiaa.

Kuva: Cedric Poulain et al./CEA