Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


Legg igjen en kommentar

Glass som knuser og eksploderer

Det har vært stille på bloggen i det siste, fordi kveldene har gått med på å forberede foredraget mitt til Pecha Kucha på torsdag. Men nå som det er overstått, og påskefreden har senket seg, er det på tide å komme tilbake til et spørsmål jeg har fått på Facebook-siden til bloggen:

Hei! 
Jeg har et spørsmål om hvorfor vannglasset mitt knuste i går. 
Jeg vasket komfyren og oppå en av platene stod en tomt glass, og uheldig som jeg var så hadde jeg klart å skru på platen som dette glasset stod på. La merke til at platen ble rød(keramikktopp) og tok glasset av platen med microfiber-klut(tørr)… så gikk det knapt 1min før glasset lå i tusen biter. Hva skjedde når jeg tok glasset fra den varme flaten til en kald?

Hilsen Kjetil

Ja, hvorfor har glass det med å knuse når det forandrer temperatur?

De fleste stoffer har det med å utvide seg når de blir varmere. Når glasset er kaldt, står molekylene ganske rolig inntil hverandre mens de holder hverandre i hendene. (De har vel litt flere hender enn oss. For de lager ikke bare lange rekker, men et stort nettverk). Når glasset varmes opp, får molekylene mer og mer fart på seg. De holder seg fortsatt fast i hverandre, men fordi de lager så mye baluba så blir det mer plass mellom dem. Derfor tar hele glasset mer plass.

Om man varmer opp eller kjøler ned glasset sakte og forsiktig, går det stort sett greit. Men om du setter et varmt glass på en kald overflate, vil molekylene nederst i glasset trekke seg veldig fort mot hverandre. Glasset nederst krymper, mens det øverste ikke har rukket å gjøre det ennå. Det blir som om du skulle klemme veldig, veldig hardt rundt den nederste delen av glasset. Om det finnes en ørende liten defekt et sted, det kan være nok med en nærmest usynlig liten ripe, så kan molekylene akkurat her bli trukket så mye i hver sin retning at de ikke klarer å stå imot. Om de slipper taket, blir det vanskeligere for naboene å holde seg fast i hverandre. Så slipper de taket, og de ved siden av, og de ved siden av, og vips er glasset sprukket.

Men glasset til Kjetil nøyde seg ikke bare med å sprekke. Det gikk i tusen biter. Hvorfor det?

Mye av det glasset vi bruker på kjøkkenet er herdet for å gjøre det mindre enkelt å knuse det. For å herde glass varmer man det opp etter at det er ferdig formet, før det kjøles ned ganske raskt, slik at det ytterste laget av glasset blir kaldt mens innsiden fortsatt er nesten flytende. De kalde atomene i det ytterste laget holder seg godt fast i hverandre. Når innsiden til slutt kjølner, vil de innerste atomene også prøve å komme nærmere hverandre, men de ytterste har allerede stivnet og har ikke så lyst til å flytte på seg. Resultatet blir at atomene inni glasset haler og drar i de ytterste atomene, slik at de blir klemt mot hverandre. Om du gir det herdede glasset et slag, blir de ytterste atomene bare klemt enda mer inntil hverandre. Sånt blir det ikke så lett sprekker av. Men om glasset blir slått hardt nok, eller det får en ripe, får plutselig de innerste atomene en mulighet til å dra naboene sine i den retningen de vil. Alle spenningene i glasset får plutselig en mulighet til å bli frigjort, og vips så ligger glasset der, i tusen knas.

Ekstremversjonen av herdet glass får du om du drypper flytende glass ned i vannet. Det størknede glasset kalles Prins Ruperts dråpe. Fordi glasset var varmt og flytende i midten da utsiden størknet, er det bygget opp ekstremt store spenninger i glasset. Det gjør det nærmest umulig å knuse dråpen ved å slå på den, men du kan få det hele til å eksplodere på en spektakulær måte ved å vrikke litt på «halen» til dråpen. Som et alternativ til påskekrimmen vil jeg anbefale denne videoen, der du kan se det hele i sakte film:

Advertisements


6 kommentarer

Knus, knas, knekk

«Ingen mat kan knuse», sa fireåringen i baksetet.

Det virket overbevisende, men jeg syntes ikke hun kunne ha rett sånn helt uten videre.

«Egg kan knuse», sa jeg.

Om man slipper et egg i gulvet, så mener jeg at det vil knuse. Men vanligvis knuser vi vel egentlig ikke egg. Jeg knekker egg når jeg vil ha ut det som er inni.

Vi kom ikke på så mange flere eksempler. «Knekkebrød», foreslo jeg. Men igjen så er det jo knekkebrød, ikke knusebrød. Jeg tror ikke knekkebrødet ville knuse om jeg mistet det i gulvet, men kanskje om jeg kjørte over det med en kontorstol.

Det er tydeligvis en forskjell på det å knuse og det å knekke.

Man kan for eksempel knekke en pinne i to. Det må bety at når noe knekker lages det bare en sprekk. Når noe knuser så går det i tusen knas. Det er ukontrollert og upraktisk i matlagingen.

Noen ting hverken knuser eller knekker, de bare bøyer seg.

Ting reagerer altså ganske så forskjellig på det å bli bøyd eller most eller dratt hardt i. Noen føyer seg og skifter form gradvis. Andre stritter i mot, helt til de plutselig brister med katastrofale følger. Jo mer kraft man må bruke for å få tingen til å endre form, jo mer voldsom blir gjerne reaksjonen. Ting som knuser, som glass, kan stå imot mye.

Kanskje knusetingene bare er for harde til å spises, sånn vanligvis?

«Vann kan knuse», sa passasjeren. «Jasså», sa jeg. «Hvordan da.»

«Hvis man heller det i et glass, og det blir skikkelig kaldt».

Poeng til baksetet. Is knuser omtrent like bra som glass, men er fortsatt greit å spise, siden det smelter i munnen.

Senere kom jeg på at jeg har knust både krumkaker og pepperkakehus, så jeg tror vi må ta opp temaet igjen nærmere jul.

20140312-211731.jpg


Legg igjen en kommentar

Klimaendringer: Kan naturen lære oss å rydde opp?

Kalde studenter står på sprukne mantelbergarter.

Kalde studenter står på sprukne mantelbergarter.

Det er tydeligere enn noen gang at vi mennesker er i ferd med å gjøre noe dumt med klimaet vårt, og det store stygge trollet heter CO2. I eventyrene kunne man uskadeliggjøre troll ved å lure dem ut i sola så de ble til stein. Hadde det ikke vært fint om vi kunne gjøre noe tilsvarende med vår tids store trussel?

I går fikk jeg bli med en gjeng studenter på feltarbeid på Rørosvidda for å se på nettopp dette: Hvordan naturlige prosesser har lagret store mengder CO2 i form av fast stein. Om vi kan forstå hvordan dette foregår i naturen, kan det kanskje ta oss ett skritt nærmere å kunne lagre deler av den menneskeskapte karbondioksiden på en tilnærmet permanent og trygg måte.

Ustabil stein fra store dyp

Noen steder på jorda kan vi tråkke på stein som opprinnelig ble dannet under jordskorpa. Såkalte mantelbergarter befinner seg vanligvis dypere enn fem kilometer under havbunnen, eller noe sånt som tretti kilometer under tørt land (fordi kontinentskorpa er mye tykkere enn den på havbunnen). Noen ganger får kollisjoner mellom platene i jordskorpa stein fra mantelen til å bli løftet opp på land, og derfor kan vi finne slike steiner flere steder i Norge. Ett av dem er i nærheten av Røros.

Mineralene i disse mantelbergartene ble dannet fordi de var stabile under det høye trykket og temperaturen dypt der nede. Når stein herfra blir fraktet opp til overflaten, trives ikke mineralene så godt lengre. Når så mineralene kommer i kontakt med vann og andre stoffer som sirkulerer nær jordoverflaten, er det en god sjanse for at mineralene løses opp (som sukker i te, bare uhorvelig mye saktere) og at det felles ut nye, mer stabile faste stoffer.

Svart stein blir hvit

Svart fra mantelen, hvit fra CO2.

Svart fra mantelen, hvit fra CO2.

Steinen vi ser rundt oss har stort sett en rødlig farge, men det skyldes forvitring av overflaten. Et kyndig kakk med geologhammeren avslører at steinen på innsiden ser nesten svart ut. Noen steder er det imidlertid hvite områder innimellom det svarte. Dette er karbonater, som man også kan finne i skjell og i kritt.

Karbonatene kom ikke fra mantelen. De ble dannet da vann som inneholdt CO2 reagerte med de ustabile mineralene fra mantelen. Karbonet som er her skaper ikke drivhuseffekt. Det er låst inne i steinen.

Vi finner noen områder der steinen har blitt mer hvit enn svart. De opprinnelige mineralene ligger igjen som svarte korn i alt det hvite. Noen av kornene ser ut som om de har sprukket og blitt presset fra hverandre av det hvite stoffet. Dette kan være viktig, for sprekker er nødvendige for å få reaksjonen til å skje. Akkurat som du smuldrer opp gjæren for å løse den opp i bakebollen, er går omdanningen av steinen raskere jo mindre biter den er i, fordi vannet kommer i kontakt med mer av steinen.

Få svar, mange spørsmål

De svarte kornene er fulle av hvite sprekker.

De svarte kornene er fulle av hvite sprekker.

Man kan lære mye av å observere stein, men i geologien er det ikke mange faste holdepunkter. En interessant observasjon fører til en drøss med nye spørsmål. Når skjedde disse reaksjonene? Hvor lang tid tok det? Var steinen på overflaten eller dypt nede i jorda? Hvilke stoffer fantes i vannet den reagerte med? Hadde jordskjelv fått steinen til å sprekke opp, eller skyldes noen av sprekkene reaksjonen selv? Ble alle sprekkene dannet på en gang, eller skjedde det i flere omganger?

Som grunnforsker kan man aldri forvente å finne hele svaret. Det er bare å ta tak i gåten og begynne å nøste et sted. Forhåpentligvis kommer man fram til noe som andre kan bygge videre på. Om man greier å snakke med ingeniører og andre som er interessert i å gjøre praktiske ting, er det kanskje også mulig å bruke kunnskapen til å finne løsninger, for eksempel på hva vi skal gjøre med CO2-en som vi slipper ut. Det er bare å brette opp ermene og sette i gang.


Legg igjen en kommentar

Jeg kan også redde verden (eller bidra litt, i det minste)

Denne uken skriver jeg fra Goldschmidt-konferansen i geokjemi, i Firenze.

Verden står på terskelen av en klimakatastrofe, og jeg bruker tiden min på å forske på stein.

Noen ganger føles det fryktelig bakstreversk. Fremtiden er solceller og vindmøller, fortiden er Oljebransjen, som man alltid ender opp med å få et nært forhold til når man driver georelatert forskning i Norge.

Det jeg forsker på er å finne ut hvordan oppsprekking og vann og kjemiske reaksjoner i stein henger i hop. I dag gav Sally Benson, professor ved Stanford, en presentasjon som viste hvorfor akkurat denne type forskning er helt nødvendig for at vi skal klare oss fremover. Dette er hvorfor:

Vi trenger materialer for å produsere fornybar energi

Det hjelper ikke å vite hvordan vi skal høste energi fra sol, vann og vind om vi ikke har de materialene som trengs for å lage solceller og vindmøller på stor skala. En del av de viktigste ingrediensene begynner vi å merke mangelen på allerede. For å finne og produsere disse materialene uten å ødelegge jorda samtidig må vi lære mer om hvordan vann, kjemiske reaksjoner, oppsprekking og biologisk aktivitet henger sammen.

Vi må gjemme unna mye CO2 i hundretusenvis av år

Vi kommer dessverre ikke til å klare å plutselig slutte å produsere CO2. En ting vi kan gjøre mens vi venter på at de fossile energikildene tar slutt, er å dytte CO2-en ned langt under bakken og håpe at den blir værende der i noen hundretusen år. Dette kan vi ikke være så sikre på uten at vi forstår, ja nemlig, hvordan oppsprekking og kjemiske reaksjoner henger sammen.

Skifergass

Rekk opp hånda, hvem vil forske på skifergass?

Ikke jeg egentlig, det er noen skikkelig skitne greier, og jeg vil helst ikke ha noe med det å gjøre.

Men skifergass er stort. Det har fullstendig snudd opp ned på energilandskapet i USA. USA slipper nå ut mindre karbondioksid fordi de bruker gass istedenfor kull. England er kanskje det neste landet som skal i gang med å hente opp skifergass fra berggrunnen.

I skifere er gassen gjemt inne i nanosmå porer, som virkelig ingen forstår noe særlig om hvordan fungerer. Om skifergassproduksjonen, som allerede er i gang, skal foregå uten å forurense alt for mye, er forskere nødt til å finne ut mer om disse systemene.

Forskning er aldri bortkastet!

Så lenge den publiseres. Vi forskere finner ut av hvordan ting fungerer, og så må vi håpe, eller passe på, at kunnskapen blir brukt til det beste for verden.


Legg igjen en kommentar

Sprekker betongen? Prøv mikrober!

Denne uka skriver jeg fra Goldschmidt-konferansen i geokjemi, i Firenze. 

Sprukken betong kan man finne hvor som helst.

Sprukken betong kan man finne hvor som helst.

Betong er et særskilt nyttig materiale som brukes i det meste av bygninger. Problemer er bare at det har en lei tendens til å sprekke opp.

I mylderet av grusomme presentasjoner i dag (åååå hvorfor kan ikke folk bare snakke tydelig??!! Noen av disse menneskene kunne likeså godt ha sunget en sang eller vist en tegnefilm, så mye får man med seg av det de skal presentere)  fant jeg en perle. Det var doktorgradsstipendiaten Tingting Zhu fra universitetet i Toronto som fortalte en vakker historie om noen ørsmå nyttige skapninger.

En ting forskere har jobbet med i noen år er å bruke bakterier til å lage krystaller inne i sprekker i betong. Bakteriene gjør omtrent det samme som koralldyr når de bygger korallrevene sine. Det har vært et problem at disse bakteriene, i tillegg til å tette sprekker, produserer noen stoffer som ikke er så bra for miljøet.

Tingting og kollegene hennes har funnet en type mikrober som bruker CO2 og sollys til å bygge krystaller laget av kalsium, karbon og oksygen. Når man bruker elektronmikroskop til å se på disse krystallene ser de ut som vakre blomster. Uheldigvis er ikke arbeidet til Tingting publisert ennå, så hun kunne ikke la meg legge ut blomsterbildene hennes på nett. Så du må bare se for deg en bakterie, en slags tjukk liten pølse, og at ut i fra den bakterien vokser en blomst med tykke kronblader.

Etterhvert som blomsten vokser blir bakterien fullstendig dekket i det harde blomstermaterialet og den dør. Sprekken fylles av miniatyr-blomst-gravsteiner.

I første omgang har Tingting funnet ut at mikrobene hennes greier å leve og lage krystaller i de samme kjemiske omgivelsene som de vil møte inne i betongsprekker, og de klarer å bygge harde lag på betongblokker i labben. Neste skritt er å finne ut hvordan dette skal gjøres utendørs og på større skala.

Så om du har sprekker i betongen din, om noen år, kan du kanskje bestille en mikrobebehandling. Et firma kommer og sprayer først mikrober, så kalkholdig vann på betongen, og så får mikrobene jobbe og reparere det som skal repareres. I samme slengen blir du kvitt litt CO2 og får dannet oksygen. Alle tiders.