Зачем кипятить вирусы?

106
1

Просто включая чайник, вы запускаете целую цепочку сложных процессов, и венчает их получение кипятка. Ключевой процесс – теплообмен с фазовым переходом, в нем участвуют нагревательный элемент и вода в форме жидкости и пара. Впрочем, эта разновидность обмена энергией важна не только в кухне, но и во многом определяет облик всей нашей цивилизации. Он происходит в бойлерах водонагревательных станций, в компактных кулерах для электроники и на электростанциях, где водный пар вращает турбины генераторов.

Поэтому даже крошечное усовершенствование этого теплообмена может дать серьезный эффект в глобальном масштабе. Что уж говорить о результате, полученном в Мэтью Маккарти (Matthew McCarthy) и его коллегами из Дрекслерского университета, которым удалось облегчить кипячение воды в несколько раз! Это даже удивительно – ведь все, что связано с нагреванием воды, человечество совершенствует уже много тысячелетий.

Одна из классических проблем в этой области – небольшие пузырьки, которые во множестве образуются у поверхности нагревательного элемента и, оставаясь на ней, создают газовый слой, изолирующий нагреватель от воды. Только набрав достаточный объем, эти пузырьки срываются с места и поднимаются вверх, заодно унося с собой часть драгоценной тепловой энергии.

Однако особенно опасным явление становится, когда нагревательный элемент раскаляется настолько сильно, что жидкость уже не успевает отбирать от него нужное тепло. Вокруг него образуется паровая оболочка, блокирующая теплообмен и способная привести к «прогоранию» нагревателя и сбою всей системы. «Задача состоит в том, чтобы сохранять его поверхность постоянно увлажненной», – говорит Мэтью Маккарти.

Чтобы этого добиться, разработчики решили получить «супергидрофильный» материал, который легко смачивается и удерживает жидкость. Такая структура должна быть похожа на микроскопический лес, на лужайку, густо заросшую травой, между стеблями которой может сохраняться вода. Подходящие «саженцы» ученые нашли среди вирусов.

Вирус табачной мозаики – пример, знакомый всем еще со школы и неплохо изученный: он представляет собой простую нить РНК, заключенную в белковую оболочку – как внутрь полой соломинки. Маккарти и его команда модифицировали эту структуру, получив «выпотрошенный» вирус с дополнительными молекулами на конце. Они обеспечивают надежное связывание практически с самыми разными поверхностями. «Нержавеющая сталь, алюминий, медь, золото, кремний и масса других полимеров», – добавляет ученый.

Таким образом исследователи покрыли металлическую поверхность «вирусным лесом», а поверх напылили тонкий слой никеля. Эта структура создает капиллярный эффект, позволяющий теплу быстрее передаваться в обе стороны. «Даже когда на поверхности появляются пузырьки, – пояснил Маккарти, – она действует как губка, засасывая воду под них». Тестирование показало, что такое решение позволяет увеличить теплообмен более чем втрое, прежде чем будет достигнут критический уровень теплового потока и разрушение нагревающего элемента.