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孙悟空会36变,冰也有18般变化!除了你最熟悉的那种,其他的都不在“凡间”
 
编辑:信息中心投稿    来源:科技日报公众号      时间:2017/9/13 11:05:15 

据《新科学家》杂志网站近日报道,日本科学家通过计算机模拟,发现了300多种全新冰结构,多孔超轻类似气凝胶,其空间网状结构中充满气体分子,而外表呈固体状,并发现迄今密度最小(即最轻)的固体水结构,研究这些新结构有助于揭开水分子在低温低压等极端环境下的性质。

人们一般认为,冰块是由水冷却而成的固态晶体,晶格呈六角形结构。但其实,并非所有的冰都是这种六角形结构,科学家们已经从实验上验证了17种冰结构的存在,这些不同于常规冰的结构一般存在于外行星或外行星大气层中。

水分子在比大气压更高的压力下被压缩时,其形成的冰块会比常规冰的密度更大;而当气压极低时,水分子会变成类似棉花糖、充满气体、密度更低的晶体结构。现已发现两种低密度冰结构:密度为常规冰80%的太空富勒烯状冰块,以及结构像沸石矿的沸石冰,其内的水分子模块就像乐高积木塔一样,密度为常规冰的50%90%

发表在最新一期《化学物理学杂志》上的研究论文称,日本冈山大学科学家松本正和(音译)及其同事利用一种类似分子积木游戏的计算机模型,发现了第18种可能存在的冰结构。他们以沸石冰为基础,像玩积木一样,将沸石冰中的某些结构移走,换成其他的结构模块,从而让其越变越轻。最终他们模拟出300多种密度更小的纳米冰结构,并发现这些结构在低压和接近绝对零度(-273.5℃)条件下能保持稳定。

松本表示,他们通过模拟分子积木,已经搭建出迄今密度最小的气凝胶样冰结构,由于这种结构只能在低温低压等极端条件下稳定存在,要在现实世界合成极为困难。他说:“不过,我们的研究为低密度冰块描绘了一幅蓝图,下一步就是如何在实验室合成出这些惊人的结构,揭示水分子在外太空的性质之谜。”

 

: ���&�1600度高温、数十个大气压和以每分钟数万的转速,还要承受强大离心力的持续作用。


“如此严苛的工作条件,发动机所用材料仍需做到不能熔化,不能变形,不能断裂。而铼的一系列特性,使之成为极佳选材之一。”王光秋说,比起上一代航空发动机采用的定向结晶的普通叶片,新一代则普遍采用单晶叶片,这可增加200摄氏度左右的涡轮燃烧温度,有铼加入单晶叶片,可以增强材料各方面的性能。

铼加入单晶叶片的历史或有20年左右。但由于“铼”量少且提纯成本高,使其价格十分昂贵,不可能大范围用于航空发动机研制。据《南方财富网》援引自美国地质调查局报告称,全球探明的铼储量仅为2500吨左右,其价格跟白金价格相仿,一克大概需要两三百块钱。另据资料显示,2010年,中国陕西某矿山勘探到176吨。

“航空发动机有上万个零部件,涡轮叶片是其中一个关键部件,即使有铼加入,需要在合金中怎么加,加多少,这些都是要认真研究的课题。”王光秋说。

新一代发动机总效率

是热效率和推进效率之积

“航空发动机是一个综合的系统工程,其总效率是热效率和推进效率之积。”王光秋说,增加航空发动机的效率来自两个部分,分别是热效率和推进效率。目前最新一代发动机的热效率大约是50%,推进效率约为80%

王光秋告诉记者,以目前最先进的波音787和空客350为例,其使用的发动机总效率即略高于40%

“通过使用含有铼元素的单晶涡轮叶片,提高燃气温度增加热效率,是实现提高发动机总效率的路径之一。另一方面,当今航空发动机也通过增加推进效率达到提高总效率的目标。”王光秋说。

两种效率各占多少,也是研制航空发动机的难点。“通过提高燃气温度,相应也增加了氮氧化物的排放;温度高又增加空气流速,噪声也加大了。”王光秋说。

航空发动机工作原理显示,一台航空发动机包括低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮,中间还有一个环形燃烧室。“这些结构,工作的温度、压力环境都不一样,其使用的材料也不同。而金属铼,则主要是针对主压涡轮叶片。”王光秋认为,由于物理条件的限制,通过增加温度提高热效率比较困难,现代航空发动机,主要是通过增大涵道比提高推进效率,从而达到提高发动机总效率,并实现节能减排的目标。

 


 
 
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