In nature there is no such thing as a truly clean surface.

Contact with normal air is sufficient to coat any material with a thin layer of molecules. This "molecular dirt" can change the properties of the material considerably, yet the molecules themselves are difficult to study. Some have speculated that this "dirt" is simply a single layer of water molecules. To test this idea, a new investigation method has been developed at TU Wien: by creating ultra-pure ice in a vacuum chamber, and then melting it, researchers could create the world's cleanest water drops, which were then applied to titanium dioxide surfaces.

With this method, the researchers have shown that the "dirt" changing the properties of titanium dioxide surfaces is a single-molecule-thick layer of two organic acids: acetic acid (which makes vinegar sour) and its close relative, formic acid. This is surprising, because only minute traces of these acids are found in air. These results and the details of the new method were recently published in the journal Science.

Unexplained structures

Titanium dioxide (TiO2) is an abundant mineral that plays an important role in a wide range of technical applications, including self-cleaning surfaces. For example, a thin layer of titanium dioxide prevents mirrors from fogging up in moist air. Using very powerful microscopes, researchers around the world observed an unknown molecule attaching to titanium dioxide surfaces when they came in contact with water.

The idea has been proposed that these molecules were a new type of water ice or perhaps soda water formed from carbon dioxide in the air. The correct answer is much more interesting: as the research team discovered, these structures are actually two organic acids, acetic acid and formic acid. These acids are by-products of plant growth. Remarkably only tiny traces of these acids occur in the air -- a few acid molecules per billion air molecules. Although many other molecules are more common in air, it is these two acids that stick to the metal oxide surface and change its behaviour.

Ultra-pure water in a vacuum

"In order to avoid impurities, experiments like these have to be carried out in a vacuum," says Ulrike Diebold. "Therefore, we had to create a water drop that never came into contact with the air, then place the drop on a titanium dioxide surface that had been scrupulously cleaned down to the atomic scale." This task was made even more difficult by the fact that water drops evaporate extremely quickly in a vacuum, regardless of the temperature.

The researchers thought up an ingenious new investigation method. Their solution was to make a 'cold finger' in their vacuum. The tip of this metal finger is cooled to around -140°C and ultra-pure water vapor is then allowed to flow into the chamber. The water freezes on the tip of the cold finger, producing a small, ultra-clean icicle. The titanium dioxide sample is then placed beneath the finger. When the icicle melts, ultrapure water drops on to the sample.

Organic acids are to blame

The surface was then investigated using high-powered microscopes, but the scientists saw no traces of the unknown molecules using ultrapure water. Even when they made soda water with carbon dioxide, the strange "dirt-layer" was not found . This means that the molecules must come from something other than water or carbon dioxide.

Only when the sample is brought into contact with air do the strange molecules appear. Interestingly, the same molecules were observed in different parts of the world -- in urban Vienna and in a rural part of the United States. Chemical analysis showed they were simple organic acids typically produced by plants.

"This result shows us how careful we need to be when conducting experiments of this kind," says Ulrike Diebold. "Even tiny traces in the air, which could actually be considered insignificant, are sometimes decisive."

The results of the research work have been published in the prestigious journal Science. In addition to TU Wien, Cornell University (New York, USA) was also involved in the project.

Secara semulajadi tidak ada perkara seperti permukaan yang benar-benar bersih.

 Hubungan dengan udara biasa cukup untuk melapisi sebarang bahan dengan lapisan molekul nipis. Ini "kotoran molekul" boleh mengubah sifat-sifat bahan dengan ketara, namun molekul itu sendiri sukar untuk dipelajari. Ada yang membuat spekulasi bahawa "kotoran" ini hanyalah satu lapisan molekul air. Untuk menguji idea ini, satu kaedah penyiasatan baru telah dibangunkan di TU Wien: dengan membuat ais ultra-tulen dalam ruang vakum, dan kemudian mencairkannya, para penyelidik dapat mencipta titisan air bersih dunia, yang kemudiannya digunakan pada permukaan titanium dioksida.

Dengan kaedah ini, penyelidik telah menunjukkan bahawa "kotoran" yang mengubah sifat permukaan titanium dioksida adalah lapisan tunggal molekul dua asid organik: asid asetik (yang menjadikan masam cair) dan asid formiknya yang relatif dekat. Ini menghairankan, kerana hanya jejak kecil asid-asid ini ditemui di udara. Keputusan ini dan butiran kaedah baru baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Science.

Struktur yang tidak dapat dijelaskan

Titanium dioksida (TiO2) adalah mineral berlimpah yang memainkan peranan penting dalam pelbagai aplikasi teknikal, termasuk permukaan pembersihan diri. Sebagai contoh, lapisan tipis titanium dioksida menghalang cermin daripada menyembur dalam udara lembap. Menggunakan mikroskop yang sangat berkuasa, para penyelidik di seluruh dunia mengamati molekul yang tidak jelas yang melekat pada permukaan titanium dioksida apabila mereka bersentuhan dengan air.

Idea ini telah dicadangkan bahawa molekul-molekul ini adalah jenis baru air ais atau mungkin air soda yang terbentuk daripada karbon dioksida di udara. Jawapan yang betul adalah lebih menarik: sebagai pasukan penyelidik mendapati, struktur ini sebenarnya dua asid organik, asid asetik dan asid formik. Asid ini adalah hasil sampingan pertumbuhan tumbuhan. Terutama hanya kesan kecil asid ini berlaku di udara - beberapa molekul asid per bilion molekul udara. Walaupun banyak molekul lain yang lebih biasa di udara, ia adalah dua asid yang melekat pada permukaan oksida logam dan mengubah kelakuannya.

Air ultra-tulen dalam vakum

"Untuk mengelakkan kekotoran, percubaan seperti ini perlu dilakukan dalam vakum," kata Ulrike Diebold. "Oleh itu, kita perlu mencipta kejatuhan air yang tidak pernah bersentuhan dengan udara, kemudian letakkan titisan pada permukaan titanium dioksida yang telah dibersihkan dengan teliti ke skala atom." Tugas ini dibuat lebih sukar oleh kenyataan bahawa air jatuh menguap sangat cepat dalam vakum, tanpa mengira suhu.

Para penyelidik memikirkan kaedah penyiasatan baru yang bijak. Penyelesaiannya adalah untuk membuat 'jari sejuk' dalam vakum mereka. Hujung jari logam ini disejukkan ke sekitar -140 ° C dan wap air ultra-tulen kemudiannya dibenarkan mengalir ke dalam ruang. Air membeku pada hujung jari sejuk, menghasilkan aisis yang kecil dan bersih. Sampel titanium dioksida kemudian diletakkan di bawah jari. Apabila kepingan ais cair, air ultrapure jatuh ke dalam sampel.

Asid organik adalah untuk disalahkan

Permukaan kemudiannya diselidiki menggunakan mikroskop berkuasa tinggi, tetapi saintis tidak melihat jejak molekul yang tidak diketahui menggunakan air ultrapure. Walaupun mereka membuat air soda dengan karbon dioksida, "lapisan kotoran" yang aneh tidak dijumpai. Ini bermakna molekul mesti datang daripada sesuatu selain daripada air atau karbon dioksida.

Hanya apabila sampel disentuh dengan udara, molekul pelik kelihatan. Menariknya, molekul-molekul yang sama diperhatikan di bahagian-bahagian yang berlainan di dunia - di bandar Vienna dan di luar bandar di Amerika Syarikat. Analisis kimia menunjukkan bahawa ia adalah asid organik mudah yang biasanya dihasilkan oleh tumbuhan.

"Hasil ini menunjukkan kepada kita betapa berhati-hati kita perlu melakukan percubaan seperti ini," kata Ulrike Diebold. "Walaupun kesan kecil di udara, yang sebenarnya boleh dianggap tidak penting, kadang-kadang tegas."

Hasil kerja penyelidikan telah diterbitkan dalam jurnal Sains berprestij. Sebagai tambahan kepada TU Wien, Universiti Cornell (New York, Amerika Syarikat) juga terlibat dalam projek itu.

The dynamics of water near solid surfaces play a critical role in numerous technologies, including water filtration and purification, chromatography and catalysis. One well-known way to influence those dynamics, which in turn affects how water "wets" a surface, is to modify the surface hydrophobicity, or the extent to which the surface repels water. Such modifications can be achieved by altering the average coverage, or surface density, of hydrophobic chemical groups on the interface.

Now, in a paper published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, lead author Jacob Monroe, a fifth-year Ph.D. student in the lab of UC Santa Barbara chemical engineer M. Scott Shell, provides a new perspective on the factors that control these dynamics. By using computer simulations to design the surfaces, the researchers were able to identify a more nuanced way in which surface hydrophobicity influences water dynamics at an interface. The findings could have important ramifications for membranes, especially those used in water filtration.

"What we're seeing is that just changing the patterning alone -- the distribution of those hydrophobic and hydrophilic groups, without changing the average surface densities -- produces fairly large effects at an interface," Monroe said. "That's valuable to know if I want water to flow through a membrane optimally."

Monroe and his colleagues found that if they arrange all of the hydrophobic groups together and make the surface very patchy, the water moves faster; if they spread them all apart, the water slows down. "If the membrane were for water filtration, you might want the water to move quickly across it," Monroe noted, "but you might also want the water to sit at the surface to help repel particles that stick to it and foul the membrane."

Hydrophobic and hydrophilic groups often are present at some density in many types of materials, and while the rate at which water moves near a surface is not the only factor that impacts how a membrane performs, Monroe suggests that understanding those dynamics is one step toward designing more efficient membranes. And that, in turn, relates to the energy cost of filtration and to how easily contaminants can stick to the membrane walls and, thus, be removed from the water.

The researchers have not yet used the information about surface patterning to design materials for specific applications, though they plan to. But their finding about patterning holds immediate relevance for interpreting experiments, because it means that assessing the surface density of hydrophobic groups alone is not enough to characterize the material.

Monroe and Shell discovered the distribution effect by combining simulations of molecular dynamics with a genetic algorithm optimization, which is simply an algorithm that emulates natural evolution -- here used to identify surface patterns that either increase or decrease surface-water mobility.

"It's kind of like a breeding program," Monroe explained. "If you had a pool of dogs and you wanted a certain kind of dog, say one that's bigger or has a shorter tail or a bigger head, you would breed the dogs that have those characteristics. We do the same thing on a computer, but our goal is to design a surface having specific characteristics that allow it to perform how we want it to. You need the fitness metric, and then you can tune the genetic algorithm to optimize specific performance characteristics, for instance, to have water move quickly across a membrane or to adsorb on a surface. In another case, it could be how fast water is moving through a single pore in the surface. And in another, we could look at whether one species of contaminant sticks and another doesn't.

Dinamik air berhampiran permukaan pepejal memainkan peranan kritikal dalam pelbagai teknologi, termasuk penapisan air dan pemurnian, kromatografi dan pemangkinan. Satu cara yang terkenal untuk mempengaruhi dinamika ini, yang seterusnya memberi kesan bagaimana air "wets" permukaan, adalah untuk mengubah hidrofobisiti permukaan, atau sejauh mana permukaan menahan air. Pengubahsuaian sedemikian boleh dicapai dengan mengubah liputan purata, atau ketumpatan permukaan, kumpulan kimia hidrofobik pada antara muka.

Kini, dalam sebuah kertas yang diterbitkan dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan, pengarang utama Jacob Monroe, Ph.D tahun kelima. pelajar di makmal kimia jurutera kimia UC Santa Barbara M. Scott Shell, memberikan perspektif baru mengenai faktor-faktor yang mengendalikan dinamika ini. Dengan menggunakan simulasi komputer untuk merancang permukaan, penyelidik dapat mengenal pasti cara yang lebih terperinci di mana hidrofobisiti permukaan mempengaruhi dinamik air di antara muka. Penemuan boleh mempunyai ramuan penting untuk membran, terutama yang digunakan dalam penapisan air.

"Apa yang kita lihat ialah mengubah corak sahaja - pengedaran kumpulan hidrofobik dan hidrofilik, tanpa mengubah ketumpatan permukaan purata - menghasilkan kesan yang cukup besar pada antara muka," kata Monroe. "Itu penting untuk mengetahui jika saya mahu air mengalir melalui membran secara optimum."

Monroe dan rakan-rakannya mendapati bahawa jika mereka menguruskan semua kumpulan hidrofobik bersama-sama dan membuat permukaan sangat kemas, air bergerak lebih cepat; jika mereka menyebarkannya semuanya, air itu melambatkan. "Jika membran adalah untuk penapisan air, anda mungkin mahu air bergerak dengan cepat merentasnya," kata Monroe, "tetapi anda mungkin juga mahu air itu duduk di permukaan untuk membantu menangkis zarah-zarah yang melekat padanya dan menjejaskan membran. "

Kumpulan hidrofobik dan hidrofilik sering terdapat di beberapa ketumpatan dalam banyak jenis bahan, dan ketika kadar di mana air bergerak berhampiran permukaan bukanlah satu-satunya faktor yang mempengaruhi bagaimana membran berfungsi, Monroe menyarankan bahawa memahami dinamika itu adalah satu langkah ke arah merancang membran yang lebih cekap. Dan itu, pada gilirannya, berkaitan dengan kos tenaga penapisan dan bagaimana mudah pencemaran dapat melekat pada dinding membran dan, dengan itu, dikeluarkan dari air.

Para penyelidik belum menggunakan maklumat tentang corak permukaan untuk merancang bahan untuk aplikasi tertentu, walaupun mereka merancang. Tetapi penemuan mereka tentang corak memegang perkaitan segera untuk menafsirkan eksperimen, kerana ini bermakna menilai kepadatan permukaan kumpulan hidrofobik sahaja tidak mencukupi untuk mencirikan bahan tersebut.

Monroe dan Shell menemui kesan pengedaran dengan menggabungkan simulasi dinamik molekul dengan pengoptimuman algoritma genetik, yang merupakan satu algoritma yang meniru evolusi semulajadi - di sini digunakan untuk mengenal pasti corak permukaan yang sama ada meningkatkan atau mengurangkan mobiliti permukaan air.

"Ia seperti program pembiakan," jelas Monroe. "Sekiranya anda mempunyai kolam anjing dan anda mahu anjing jenis tertentu, katakan yang lebih besar atau mempunyai ekor yang lebih pendek atau kepala yang lebih besar, anda akan membiak anjing yang mempunyai ciri-ciri itu. Kami melakukan perkara yang sama pada komputer, tetapi matlamat kami adalah untuk merekabentuk permukaan yang mempunyai ciri-ciri khusus yang membolehkannya melakukan apa yang kami mahu. Anda memerlukan metrik kecergasan, dan kemudian anda boleh menyesuaikan algoritma genetik untuk mengoptimumkan ciri-ciri prestasi tertentu, sebagai contoh, untuk bergerak dengan pantas merentasi membran atau untuk menyerap permukaan. Dalam keadaan lain, ia boleh menjadi bagaimana air cepat bergerak melalui satu liang di permukaan. Dan di sisi lain, kita dapat melihat sama ada satu spesis pencemar bertangkai dan yang lain tidak.

"Jadi, kita menjalankan simulasi molekul dinamik untuk menilai sifat-sifat tersebut," katanya. "Kami memperuntukkan tahap kecergasan kepada setiap individu, dan kemudian kita hibridkan individu paling sesuai secara spasial dan memacu sistem ke arah sifat yang kita mahu mereka ada."

Monroe percaya bahawa kaedah corak permukaan sub-nano adalah parameter reka bentuk yang penting untuk antara muka pepejal kejutan kejuruteraan untuk pelbagai aplikasi, dan ia boleh menyediakan strategi luas untuk bahan kejuruteraan yang direka dinamik air-hidrasi.

Tenaga solar adalah bersih dan berlimpah.

Tenaga solar adalah bersih dan berlimpah. Tetapi apabila matahari tidak bersinar, anda mesti menyimpan tenaga dalam bateri atau melalui proses yang dipanggil photocatalysis - di mana tenaga solar digunakan untuk membuat bahan api. Dalam pemisahan air photocatalytic, cahaya matahari memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen dan oksigen kemudiannya dapat dikombinasikan semula dalam sel bahan bakar untuk melepaskan tenaga.

Sekarang, kelas bahan baru - perovskite double halida - mungkin hanya sifat yang tepat untuk memecah air, menurut kertas yang baru diterbitkan dalam Surat Fizik Gunaan, dari AIP Publishing.

"Jika kita dapat menghasilkan bahan yang berguna sebagai photocatalyst yang memecah air, maka ia akan menjadi satu kejayaan besar," kata Feliciano Giustino, penulis bersama di dalam kertas itu.

Penyelidik telah mencuba banyak bahan photocatalytic sebelum ini, seperti titanium dioksida (TiO2). Walaupun TiO2 boleh memanfaatkan cahaya matahari untuk berpecah air, ia tidak cekap kerana ia tidak menyerap cahaya yang kelihatan dengan baik. Setakat ini, tiada bahan photocatalytic untuk pemisahan air am telah tersedia secara komersil.

Menggunakan superkomputer untuk mengira keadaan tenaga kuantum empat perovskit double halida, George Volonakis dan Giustino, kedua-dua University of Oxford, mendapati bahawa Cs2BiAgCl6 dan Cs2BiAgBr6 adalah bahan photocatalytic yang menjanjikan kerana mereka menyerap cahaya yang kelihatan jauh lebih baik daripada TiO2. Mereka juga menghasilkan elektron dan lubang-lubang (kos positif tidak ada elektron) yang mempunyai tenaga yang mencukupi (atau hampir ideal tenaga) untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen.

Sangat sedikit bahan lain mempunyai semua ciri-ciri ini sekaligus, kata Giustino. "Kami tidak boleh mengatakan ini akan berfungsi dengan pasti, tetapi sebatian ini seolah-olah memiliki semua sifat yang betul."

Giustino dan pasukannya pada asalnya menemui jenis perovskite ini sambil mencari bahan untuk membuat sel solar. Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, perovskit telah mendapat faedah sebagai bahan untuk meningkatkan kecekapan sel solar berasaskan silikon melalui reka bentuk tandem yang mengintegrasikan sel perovskite terus ke sel silikon kecekapan tinggi, tetapi ia mengandungi sejumlah kecil plumbum. Sekiranya ia digunakan untuk penuaian tenaga di ladang solar, pendahulu boleh menimbulkan potensi bahaya alam sekitar.

Pada tahun 2016, menggunakan simulasi komputer untuk mengenal pasti bahan alternatif, para penyelidik menemui jenis baru perovskite tanpa plumbum yang berpotensi untuk kecekapan tinggi sel solar. Kertas ini menunjukkan bahawa bahan-bahan baru ini juga boleh membahagikan air. "Perovskit ganda baru ini bukan sahaja menjanjikan sebagai bahan pelengkap untuk sel suria tandem tetapi mereka juga boleh menjanjikan bidang seperti photocatalysis," kata Volonakis.

Namun, analisis baru adalah teori, dengan mengandaikan sebatian membentuk kristal yang sempurna. Langkah seterusnya, kata para penulis, adalah untuk para eksperimental untuk mengetahui apakah bahan tersebut berfungsi di dunia nyata dan juga yang diramalkan. Dalam pada itu, para penyelidik menggunakan teknik pengiraan mereka untuk meneroka sama ada perovskit ganda ini mempunyai sifat yang berguna untuk aplikasi lain seperti pengesan cahaya.

Solar energy is clean and abundant. But when the sun isn't shining,

Solar energy is clean and abundant. But when the sun isn't shining, you must store the energy in batteries or through a process called photocatalysis -- in which solar energy is used to make fuels. In photocatalytic water splitting, sunlight separates water into hydrogen and oxygen. The hydrogen and oxygen can then be recombined in a fuel cell to release energy.

Now, a new class of materials -- halide double perovskites -- may have just the right properties to split water, according to a newly published paper in Applied Physics Letters, from AIP Publishing.

"If we can come up with a material that can be useful as a water-splitting photocatalyst, then it would be an enormous breakthrough," said Feliciano Giustino, a co-author on the paper.

Researchers have experimented with many photocatalytic materials before, such as titanium dioxide (TiO2). While TiO2 can harness sunlight to split water, it's inefficient because it doesn't absorb visible light well. So far, no photocatalytic material for general water splitting has become commercially available.

Using supercomputers to calculate the quantum energy states of four halide double perovskites, George Volonakis and Giustino, both of the University of Oxford, found that Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are promising photocatalytic materials because they absorb visible light much better than TiO2. They also generate electrons and holes (the positively charges absence of electrons) that have sufficient energy (or
nearly ideal energies) to split water into hydrogen and oxygen.

Satu kajian baru dari Universiti Aarhus kini menunjukkan bahawa...

Satu kajian baru dari Universiti Aarhus kini menunjukkan bahawa terdapat peningkatan risiko kanser kolon dan rektum berkaitan dengan nitrat dalam air minuman. Juga pada kepekatan jauh di bawah standard air minum semasa. Kepekatan nitrat paling tinggi terutamanya dilihat dalam bekalan air swasta yang kecil.

Nitrat dalam air bawah tanah dan air minuman, yang terutamanya berasal dari baja yang digunakan dalam pengeluaran pertanian, bukan sahaja tertakluk kepada kesedaran alam sekitar yang berpuluh tahun - ia juga disyaki meningkatkan risiko kanser. Kajian epidemiologi terbesar yang pernah dilakukan di kawasan ini sekarang menunjukkan bahawa terdapat korelasi - juga apabila jumlah nitrat dalam air minuman jauh di bawah paras air minuman semasa. Hasilnya baru diterbitkan dalam jurnal saintifik Jurnal Antarabangsa Kanser.

Risiko kanser walaupun dengan sedikit nitrat

Para penyelidik telah mengira berapa banyak nitrat Danes telah terdedah kepada tempat mereka tinggal dan membandingkannya dengan maklumat mengenai diagnosis kanser di Denmark. Penyelidik telah berjaya mengikuti sejumlah 2,7 juta Danes dalam tempoh 1978-2011 dan kajian ini berdasarkan analisis nitrat daripada lebih daripada 200,000 sampel air minuman, membuat kajian yang paling besar dan paling terperinci dalam bidang ini.

"Setiap tahun, kira-kira 5,000 kanser kolorektal kontrak Danes, yang boleh menyebabkan banyak sebab. Kajian kami menunjukkan bahawa nitrat dalam air minuman mungkin salah satu daripada mereka. Dalam kajian ini, orang yang terdedah kepada kepekatan nitrat tertinggi dalam air minuman (di atas 9.3 mg per liter air) mempunyai risiko 15 peratus lebih besar daripada mendapat kanser kolorektal berbanding dengan orang yang paling kurang pendedahan (kurang daripada 1.3 mg setiap liter air). Standard air minum semasa ialah 50 mg nitrat per liter air, tetapi peningkatan risiko kanser boleh dilihat pada kepekatan lebih besar daripada kira-kira 4 mg nitrat per liter air, "kata Jörg Schullehner, PhD dari Jabatan Kesihatan Awam di Aarhus University. Beliau adalah lelaki di belakang hasil penyelidikan bersama-sama dengan penyelidik dari Geologi Survey Denmark dan Greenland (GEUS) dan Pusat Kebangsaan Penyelidikan yang Berdaftar di Aarhus University.

Standard air minuman di Denmark dan EU mematuhi saranan WHO Organisasi Kesihatan Sedunia. Cadangan ini telah ditentukan untuk mengelakkan kes 'Sindrom Bayi Merah', di mana keracunan nitrit menghalang ketepuan oksigen dalam badan. Sindrom ini hanya memberi kesan kepada bayi dan sangat jarang berlaku di Denmark.

Standard air minuman perlu dipertimbangkan semula

Hasil penyelidikan mengesahkan syak yang telah lama diadakan; bahawa nitrat meningkatkan risiko kanser kolon dan rektum. Risiko kesihatan timbul apabila nitrat ditukar menjadi bahan karsinogenik yang dikenali sebagai sebatian N-nitroso di dalam badan. Kanser kolorektal adalah salah satu bentuk kanser yang paling biasa di Denmark dan yang ketiga paling kerap di seluruh dunia.

"Kesimpulan dalam kajian kami adalah selaras dengan penemuan beberapa kajian antarabangsa, yang menunjukkan bahawa standard air minum sepatutnya lebih rendah untuk melindungi daripada kesan kesihatan kronik dan bukan sahaja kesan akut seperti Sindrom Bayi Biru. Dengan hasil yang sama dari kajian yang berbeza, ini menunjukkan keperluan untuk menimbang semula standard air minuman, "kata Profesor Torben Sigsgaard dari Jabatan Kesihatan Awam di Aarhus University, yang juga terlibat dalam projek penyelidikan.

Kepekatan nitrat umumnya rendah

Penyelidikan dari GEUS menunjukkan bahawa sepanjang dekad yang lalu, kepekatan nitrat telah dikurangkan pada kerja air umum yang mana kebanyakan orang di Denmark mendapatkan air mereka.

"Penumpuan nitrit adalah rendah dalam kebanyakan kerja air awam. Hari ini, masalah ini tertumpu di dalam telaga persendirian kecil, serta tempat-tempat dengan peleburan nitrat tinggi dan di mana keadaan tanah dan geologi tempatan bermakna bahawa nitrat lebih mudah dicairkan Oleh itu, masuk akal untuk menumpukan usaha kami di sini, "kata Jörg Schullehner.

A new study from Aarhus University now

A new study from Aarhus University now shows that there is an increased risk of colon and rectal cancer in connection with nitrate in drinking water. Also at concentrations far below the current drinking water standard. The highest nitrate concentrations are mainly seen in small private water supplies.

Nitrate in groundwater and drinking water, which primarily comes from fertilisers used in the agricultural production, has not only been subject to decades of environmental awareness -- it has also been suspected of increasing the risk of cancer. The largest epidemiological study ever carried out in this area now shows that there is a correlation -- also when the amount of nitrate in the drinking water is far below the current drinking water standard. The results have just been published in the scientific journal International Journal of Cancer.

Risk of cancer even with small amounts of nitrate

The researchers have calculated how much nitrate Danes have been exposed to where they lived and compared this to information about cancer diagnoses in Denmark. Researchers have managed to follow a total of 2.7 million Danes during the period 1978-2011 and the study is based on nitrate analyses from more than 200,000 drinking water samples, making the study the largest and most detailed in this area.

"Each year, approximately 5,000 Danes contract colorectal cancer, which can have many causes. Our study shows that nitrate in drinking water may be one of them. In the study, people who were exposed to the highest concentration of nitrate in drinking water (above 9.3 mg per litre of water) had a 15 per cent greater risk of getting colorectal cancer compared to those who had least exposure (less than 1.3 mg per litre of water). The current drinking water standard is 50 mg nitrate per litre of water, but the increased risk of cancer could already be seen at concentrations greater than approximately 4 mg nitrate per litre of water," says Jörg Schullehner, PhD from the Department of Public Health at Aarhus University. He is the man behind the research results together with researchers from the Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) and the National Centre for Register-based Research at Aarhus University.

The drinking water standard in Denmark and the EU complies with the recommendations of the World Health Organization WHO. These recommendations have been determined in order to avoid cases of 'Blue Baby Syndrome', where nitrite poisoning prevents oxygen saturation in the body. This syndrome only affects infants and very rarely occurs in Denmark.

Drinking water standard should be reconsidered

The research results confirm a suspicion that has long been held; that nitrate increases the risk of colon and rectal cancer. The health risk arises when nitrate is converted into carcinogenic substances that are known as N-nitroso compounds in the body. Colorectal cancer is one of the most common forms of cancer in Denmark and the third most frequent worldwide.

"The conclusion in our study is in line with the findings of several international studies, which indicates that the drinking water standard ought to be lower in order to protect against chronic health effects and not only acute effects such as Blue Baby Syndrome. With identical results from different studies, this points towards a need for reconsidering the drinking water standard," says Professor Torben Sigsgaard from the Department of Public Health at Aarhus University, who has also been involved in the research project.

Nitrate concentrations are generally low

Research from GEUS shows that over the last decades, nitrate concentrations have been reduced at the public waterworks from which the vast majority of people in Denmark get their water.

"Nitrate concentrations are low in the majority of public waterworks. Today, the problem is mainly concentrated in the small private wells, as well as places with high nitrate leaching and where the local soil- and geological conditions mean that nitrate can more easily be leached to the groundwater. It therefore makes sense to focus our efforts here," says Jörg Schullehner.

Kemajuan teknologi kecerdasan buatan baru (AI) boleh membuat......

Kemajuan teknologi kecerdasan buatan baru (AI) boleh membuat pemantauan di loji rawatan air lebih murah dan lebih mudah dan membantu melindungi kesihatan awam.

Penyelidik di University of Waterloo telah membangunkan perisian AI yang mampu mengenal pasti dan mengukur pelbagai jenis cyanobacteria, atau alga biru-hijau, ancaman untuk menutup sistem air apabila ia tiba-tiba meluas.

"Kita perlu melindungi bekalan air kita," kata Monica Emelko, seorang profesor kejuruteraan awam dan persekitaran dan ahli Institut Air di Waterloo. "Alat ini akan membekalkan kami dengan sistem sentinel, satu petunjuk yang lebih cepat apabila mereka terancam.

"Sekeping yang menarik adalah bahawa kami telah menunjukkan ujian menggunakan AI dapat dilakukan dengan cepat dan dengan baik. Sekarang sudah waktunya untuk mengerjakan semua senario yang mungkin dan mengoptimalkan teknologi."

Sistem operasi AI menggunakan perisian dalam kombinasi dengan mikroskop untuk secara murah dan menganalisis sampel air secara automatik untuk sel-sel alga dalam masa satu hingga dua jam, termasuk pengesahan keputusan oleh penganalisis manusia.

Kaedah ujian semasa, yang biasanya melibatkan penghantaran sampel ke makmal untuk analisis manual oleh juruteknik, mengambil satu hingga dua hari. Beberapa sistem automatik sudah ada juga, tetapi mereka memerlukan peralatan dan bekalan yang sangat mahal.

Menurut Emelko dan kolaborator Alexander Wong, profesor kejuruteraan reka bentuk sistem di Waterloo, sistem AI akan memberi amaran awal masalah kerana ujian boleh dilakukan dengan lebih cepat dan kerap.

Melangkah ke hadapan, matlamatnya adalah sistem AI untuk terus memantau air mengalir melalui mikroskop untuk pelbagai kontaminan dan mikroorganisma.

"Ini membawa penyelidikan kami ke kawasan berimpak tinggi," kata Wong. "Membantu memastikan air yang selamat melalui penyebaran teknologi ini akan menjadi salah satu cara terbaik untuk membuat kiraan AI."

Para penyelidik menganggarkan ia mungkin mengambil masa dua hingga tiga tahun untuk memperbaiki sistem ujian sampel komersial sepenuhnya untuk digunakan di makmal atau di rumah di loji rawatan. Teknologi untuk menyediakan pemantauan berterusan boleh menjadi tiga hingga empat tahun lagi.

"Ia penting untuk mempunyai air yang mengalir, walaupun kita perlu mendidihnya, untuk kebersihan asas," kata Monica Emelko, seorang profesor kejuruteraan awam dan alam sekitar di Waterloo. "Sekiranya anda tidak mengalir air, orang akan mula sakit."

Progress on new artificial intelligence (AI) technology

Progress on new artificial intelligence (AI) technology could make monitoring at water treatment plants cheaper and easier and help safeguard public health.

Researchers at the University of Waterloo have developed AI software capable of identifying and quantifying different kinds of cyanobacteria, or blue-green algae, a threat to shut down water systems when it suddenly proliferates.

"We need to protect our water supplies," said Monica Emelko, a professor of civil and environmental engineering and member of the Water Institute at Waterloo. "This tool will arm us with a sentinel system, a more rapid indication when they are threatened.

"The exciting piece is that we've shown testing utilizing AI can be done quickly and well. Now it's time to work through all the possible scenarios and optimize the technology."

The operational AI system uses software in combination with a microscope to inexpensively and automatically analyze water samples for algae cells in about one to two hours, including confirmation of results by a human analyst.

Current testing methods, which typically involve sending samples to labs for manual analysis by technicians, take one to two days. Some automated systems already exist as well, but they require extremely expensive equipment and supplies.

According to Emelko and collaborator Alexander Wong, a systems design engineering professor at Waterloo, the AI system would provide an early warning of problems since testing could be done much more quickly and frequently.

Moving forward, the goal is an AI system to continuously monitor water flowing through a microscope for a wide range of contaminants and microorganisms.

"This brings our research into a high-impact area," said Wong. "Helping to ensure safe water through widespread deployment of this technology would be one of the great ways to really make AI count."

The researchers estimate it may take two to three years to refine a fully commercial sample testing system for use in labs or in-house at treatment plants. The technology to provide continuous monitoring could be three to four years away.

"It's critical to have running water, even if we have to boil it, for basic hygiene," said Monica Emelko, a professor of civil and environmental engineering at Waterloo. "If you don't have running water, people start to get sick."

Kebanyakan kita digunakan untuk menghidupkan paip dan air yang keluar....

Kebanyakan kita digunakan untuk menghidupkan paip dan air yang keluar. Kami jarang bertanya sama ada ini akan berlaku atau sama ada air itu cukup bersih untuk dimandikan atau diminum. Walaupun proses mengekalkan kualiti air hampir tidak boleh dilihat oleh kebanyakan kita, membuang bakteria dan bahan cemar dari air memerlukan banyak usaha dari kedua-dua manusia dan sistem rawatan sama.

Mohammad Alizadeh Fard, seorang pelajar kedoktoran di Jabatan Kejuruteraan Awam dan Alam Sekitar Michigan Tech, dan Brian Barkdoll, profesor kejuruteraan awam dan alam sekitar, sedang membangunkan penyelesaian berteknologi rendah, berpatutan untuk meningkatkan kualiti air di dalam tangki air perbandaran, dan mengeluarkan mikropolus daripada air menggunakan bahan terbarukan.

Penyelidikan mereka telah diterbitkan dalam tiga jurnal - Jurnal Kejuruteraan Hidraulik, Jurnal Cecair Molekul, dan Colloids dan Permukaan A - dengan kertas keempat menunggu kajian. Kerja mereka membuktikan bahawa penyelesaian untuk masalah yang menggerutu boleh menjadi elegan dalam kesederhanaan mereka.

Penyelesaian Teknikal yang Elegant, Rendah

Dalam komuniti di seluruh negara, ada tangki simpanan air besar untuk kegunaan perbandaran. Banyak tangki sedemikian mempunyai garis masuk untuk membekalkan tangki dengan air, dan garis keluar. Walau bagaimanapun, garisan masuk dan keluar adalah kerap di bahagian tangki. Walaupun tangki itu dinaikkan semula setiap hari, air di bahagian atas tangki tidak digunakan dan menjadi stagnan. Walaupun banyak bekalan air perbandaran dirawat dengan klorin, lapisan air teratas boleh menjadi tempat pembiakan bagi bakteria, alga atau penyakit air, seperti giardia dan E. coli.

"Jika air tidak bergerak, (bakteria dan alga) boleh mula berkembang," kata Barkdoll. "Ia mungkin tidak berasal dari sumber air, ia boleh dari udara, atau klorin dalam air bertakung boleh digunakan selepas beberapa waktu. Anda mahu air terus bergerak, terutama di kawasan panas di negara ini."

Tetapi jika terdapat kebakaran besar di dalam masyarakat atau di kawasan luar bandar, tangki air ditarik dengan ketara, dan orang kemudian meminum air yang bertakung.

"Jadi, apabila anda mempunyai api, semua air bertakung akan keluar ke rumah semua orang," kata Barkdoll. "Selepas kebakaran, orang sakit, itu perkara yang diketahui, itulah masalah yang kami cuba selesaikan."

Untuk memperbaiki masalah ini, Alizadeh Fard dan Barkdoll menciptakan lampiran kepala pancuran yang dapat ditambahkan ke tangki air baru atau yang ada untuk biaya minimum. Menambah pemercik PVC-paip di bahagian atas tangki, dan penyembur terbalik di bahagian bawah tangki, menyuntik air ke dalam sistem dan memastikan semua air beredar. Alizadeh Fard dan Barkdoll menerbitkan artikel mereka mengenai sistem mudah tetapi berkesan ini dalam Jurnal Kejuruteraan Hidraulik 15 Mac. Mereka berharap ia akan menjadi penyelesaian berteknologi rendah mudah bagi para pengurus kualiti air untuk menerima pakai.

Menace yang tidak dilihat: Micropollutants

Tetapi bahan cemar organik bukan satu-satunya sumber air tercemar. Beberapa sistem perbandaran dilengkapi untuk mengendalikan micropollutants - seperti farmaseutikal, hormon, mikroplastik, nanopartikel dalam kaus kaki dan bulu tiruan, dan sebatian antikulat - walaupun jenis sisa industri yang terdapat dalam kepekatan yang sangat rendah. Walaupun jumlah kecil - mikrogram sahaja - pencemar ini dalam air, mereka masih mempunyai kesan karsinogen pada manusia dan makhluk akuatik. Tumbuhan rawatan retrofitting untuk menapis untuk micropollutants adalah mahal, terkemuka Barkdoll dan Alizadeh Fard untuk meneroka penyelesaian yang berpotensi.

"Bahan pencemar ini mempunyai kesan jangka panjang terhadap kesihatan," kata Alizadeh Fard. "Kebanyakan kilang rawatan kami tidak dirancang untuk mengeluarkannya daripada air, jadi penting untuk mencari penyelesaian yang boleh dipercayai untuk menangani masalah ini."

Para penyelidik menyerang idea menyerap bahan pencemar dari air. Adsorpsi berlaku apabila molekul pada dasarnya melekat pada permukaan. Kaedah pertama Alizadeh Fard dan Barkdoll diuji adalah menggunakan nanopartikel magnet bersalut polimer untuk menyerap Tonalide (digunakan untuk topeng bau dan sering dijumpai dalam deterjen), Bisphenol-A (lebih dikenali sebagai BPA, digunakan untuk membuat plastik jelas dan sukar), Triclosan (agen anti-bakteria dan anti-kulat yang digunakan dalam pembersihan produk yang kini dilarang), Metolachlor (racun herba), Ketoprofen (anti-radang) dan Estriol (tambahan estrogen).

Nanopartikel magnet bersalut polimer adalah paling berkesan untuk menyerap Ketoprofen dan BPA, mengeluarkan bahan pencemar dalam 15 minit dengan 98 dan 95 peratus keberkesanan, masing-masing, dengan hanya 0.1 miligram penjerap.

Tetapi apa yang berlaku apabila nanopartikel telah melakukan kerja mereka? Kerana penyerap adalah magnet, penyelidik boleh menggunakan magnet untuk mengeluarkan nanopartikel dari air.

Barkdoll dan Alizadeh Fard mengatakan bahawa salah satu komponen penting dalam kerja mereka adalah bahawa adsorben boleh digunakan semula setelah dibilas dengan penyelesaian metanol pemulihan. Di makmal, nanopartikel bersalut polimer telah dipulihkan dan digunakan sekali lagi lima kali sebelum melihat keberkesanan berkurangan.

Most of us are used to turning on a tap and water coming out....

Most of us are used to turning on a tap and water coming out. We rarely question whether this will happen or whether the water is clean enough to bathe in or drink. Though the process of maintaining water quality is practically invisible to most of us, removing bacteria and contaminants from water requires a lot of effort from both humans and treatment systems alike.

Mohammad Alizadeh Fard, a doctoral student in Michigan Tech's Civil and Environmental Engineering Department, and Brian Barkdoll, professor of civil and environmental engineering, are developing low-tech, affordable solutions to improve water quality in municipal water tanks, and to remove micropollutants from water using renewable materials.

Their research has been published in three journals -- Journal of Hydraulic Engineering, Journal of Molecular Liquids, and Colloids and Surfaces A -- with a fourth paper pending review. Their work proves that solutions to vexing problems can be elegant in their simplicity.

An Elegant, Low-Tech Solution

In communities around the nation, there are large water-storage tanks for municipal drinking use. Many such tanks have a line in to supply the tank with water, and a line out. However, these lines in and out are frequently at the tank bottom. Though the tanks are refilled daily, the water at the top of the tank is never used and becomes stagnant. Even though many municipal water supplies are treated with chlorine, the top water layer can become a breeding ground for bacteria, algae or waterborne illness, such as giardia and E. coli.

"If the water is not moving, (bacteria and algae) can start growing," Barkdoll says. "It may not be originally from the water source; it could be from the air. Or the chlorine in the stagnant water could be used up after some time. You want the water to keep moving, especially in hot regions of the country."

But if there's a large fire in the community or surrounding countryside, the water tank is drawn down significantly, and people then drink the stagnant water.

"So, when you have a fire, all the stagnant water goes out to everybody's house," Barkdoll says. "After a fire, people get sick, that's a known thing. That's the problem that we're trying to fix."

To remedy the problem, Alizadeh Fard and Barkdoll created shower head-like attachments that can be added to new or existing water tanks for minimal cost. Adding a PVC-pipe sprinkler at the top of the tank, and a reverse sprinkler at the bottom of the tank, injects water into the system and keeps all the water circulating. Alizadeh Fard and Barkdoll published their article on this simple but effective system in the Journal of Hydraulic Engineering March 15. They hope it will be a low-tech solution easy for water quality managers to adopt.

Unseen Menace: Micropollutants

But organic contaminants are not the only source of contaminated water. Few municipal systems are equipped to handle micropollutants -- such as pharmaceuticals, hormones, microplastics, nanoparticles in socks and synthetic fleece, and antifungal compounds -- even types of industrial waste that are present in very low concentrations. Despite the small amounts -- mere micrograms -- of these pollutants in water, they still have carcinogenic effects on humans and aquatic creatures. Retrofitting treatment plants to filter for micropollutants is expensive, leading Barkdoll and Alizadeh Fard to explore potential solutions.

"These contaminants have long-term effects on health," Alizadeh Fard says. "Most of our treatment plants have not been designed to remove them from water, so it's important to find a reliable solution to address the problem."

The researchers struck on the idea of adsorbing pollutants from water. Adsorption occurs when molecules essentially stick to a surface. The first method Alizadeh Fard and Barkdoll tested was to use polymer-coated magnetic nanoparticles to adsorb Tonalide (used to mask odors and often found in detergents), Bisphenol-A (better known as BPA, used to make plastics clear and tough), Triclosan (an anti-bacterial and anti-fungal agent used in cleaning products that is now banned), Metolachlor (an herbicide), Ketoprofen (an anti-inflammatory) and Estriol (an estrogen supplement).

The polymer-coated magnetic nanoparticles were most effective at adsorbing Ketoprofen and BPA, removing the pollutants in 15 minutes with 98 and 95 percent effectiveness, respectively, with only 0.1 milligram of the adsorbent.

But what happens once the nanoparticles have done their work? Because the adsorbent is magnetic, the researchers can use magnets to remove the nanoparticles from the water.

Barkdoll and Alizadeh Fard say that one of the key components of their work is that the adsorbents are reusable once rinsed with a restorative methanol solution. In the lab, the polymer-coated nanoparticles were restored and used again five times before seeing decreased effectiveness.

Penyelidik Kejuruteraan Columbia mendapati bahawa sebaliknya.....

Penyelidik Kejuruteraan Columbia mendapati bahawa sebaliknya, tumbuh-tumbuhan memainkan peranan yang dominan dalam kitaran air bumi dan bahawa tumbuhan akan mengawal dan menguasai peningkatan tekanan yang diletakkan di atas sumber air benua pada masa akan datang. Kajian yang diketuai oleh Pierre Gentine, profesor bumi dan kejuruteraan alam sekitar di Columbia Engineering dan di Institut Bumi, diterbitkan hari ini dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan.

"Penemuan kami bahawa tumbuh-tumbuhan memainkan peranan penting dalam masa depan dalam tindak balas hidrologi terestrial dan tekanan air sangat penting untuk meramal dengan tepat kekeringan dan sumber air di masa depan," kata Gentine, yang penyelidikannya memberi tumpuan kepada hubungan antara hidrologi dan sains atmosfera, interaksi tanah / atmosfera , dan impaknya terhadap perubahan iklim. "Ini boleh menjadi penukar permainan sebenar untuk memahami perubahan tekanan air benua ke masa hadapan."

Pasukan Gentine adalah yang pertama untuk mengasingkan tindak balas tumbuh-tumbuhan daripada sambutan kompleks pemanasan global yang termasuk pembolehubah seperti kitaran air sebagai evapotranspirasi (air yang disejat dari permukaan, kedua-duanya dari tumbuh-tumbuhan dan tanah kosong) kelembapan tanah, dan larian. Dengan membantutkan tindak balas tumbuh-tumbuhan terhadap peningkatan CO2 global dari tindak balas atmosfera (gas rumah hijau), mereka dapat mengkuantinya dan mendapati bahawa tumbuhan sebenarnya adalah faktor dominan yang menjelaskan tekanan air masa hadapan.

"Tumbuhan adalah benar-benar termostat di dunia," kata Léo Lemordant, pelajar PhD Gentine dan penulis utama kertas itu. "Mereka berada di tengah-tengah air, tenaga, dan kitaran karbon Ketika mereka mengambil karbon dari atmosfera untuk berkembang maju, mereka melepaskan air yang mereka ambil dari tanah. suhu yang kita semua rasa Sekarang kita tahu bahawa terutamanya tumbuh-tumbuhan bukan hanya pemendakan atau suhu, akan memberitahu kita sama ada kita akan hidup lebih kering atau lebih basah. "

Untuk kajian ini, Gentine dan Lemordant mengambil model sistem Bumi dengan permukaan decoupled (fisiologi tumbuhan) dan respon CO2 atmosferik (radiatif) dan menggunakan analisis statistik pelbagai model dari CMIP5, kumpulan eksperimen model iklim yang diselaraskan semasa ditubuhkan sebagai sebuah antarabangsa projek kerjasama untuk Panel Antarabangsa Mengenai Perubahan Iklim. Mereka menggunakan tiga larian: kawalan yang dikendalikan dengan CO2 di peringkat daun dan di atmosfera, satu larian yang hanya tumbuh-tumbuhan bertindak balas terhadap kenaikan CO2, dan larian di mana hanya atmosfera merespon peningkatan CO2.

Keputusan mereka menunjukkan bahawa perubahan dalam pemboleh ubah tekanan air utama telah diubah suai dengan kesan fisiologi tumbuhan sebagai tindak balas kepada kenaikan CO2 pada paras daun, menggambarkan sejauh mana kesan fisiologi akibat peningkatan CO2 atmosfera kitaran air. Tindak balas fisiologi CO2 mempunyai peranan dominan dalam evapotranspirasi dan mempunyai kesan utama ke kelembapan jangka panjang dan kelembapan tanah berbanding dengan perubahan radiasi atau hujan akibat peningkatan CO2 atmosfera.

Kajian ini menyoroti peranan utama tumbuh-tumbuhan dalam mengawal tindak balas hidrologi terestrial masa depan dan menekankan bahawa kitaran karbon dan air kontinental digabungkan dengan tanah dan mesti dikaji sebagai sistem yang saling berkaitan. Ia juga menekankan bahawa ahli hidrologi harus bekerjasama dengan ahli sains dan saintis iklim untuk meramal sumber air yang akan datang.

"Kesan fisiologi biosfera dan interaksi biosfera-atmosfera yang berkaitan adalah kunci untuk meramalkan tekanan air benua masa depan yang diwakili oleh evapotranspirasi, larian jangka panjang, kelembapan tanah, atau indeks kawasan daun," kata Gentine. "Seterusnya, tekanan air tumbuh-tumbuhan sebahagian besarnya mengawal pengambilan karbon darat, dan menekankan lagi bagaimana kitaran karbon dan air masa depan digabungkan supaya tidak dapat dinilai secara berasingan."

Pelan Gentine dan Lemordant untuk terus memecahkan pelbagai kesan fisiologi. "Sambutan tumbuh-tumbuhan itu sendiri memang rumit," kata Gentine, "dan kami mahu menguraikan kesan pertumbuhan biomassa berbanding tindak balas stomatal. Terdapat juga implikasi untuk peristiwa gelombang panas yang melampau yang sedang kami kerjakan."

"Kerja ini menyoroti keperluan penting untuk mengkaji lebih lanjut bagaimana tumbuhan akan bertindak balas terhadap peningkatan karbon dioksida atmosfera," kata James Randerson, profesor sains sistem bumi, University of California, Irvine, yang tidak terlibat dengan kajian itu. "Tumbuhan boleh memberi kesan yang besar terhadap iklim tanah, dan kita perlu memahami dengan lebih baik cara-cara yang mereka akan bertindak balas terhadap karbon dioksida, pemanasan, dan lain-lain bentuk perubahan global."

Columbia Engineering researchers have found that, to the contrary,

Columbia Engineering researchers have found that, to the contrary, vegetation plays a dominant role in Earth's water cycle and that plants will regulate and dominate the increasing stress placed on continental water resources in the future. The study, led by Pierre Gentine, associate professor of earth and environmental engineering at Columbia Engineering and at the Earth Institute, is published today in the Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Our finding that vegetation plays a key role future in terrestrial hydrologic response and water stress is of utmost importance to properly predict future dryness and water resources," says Gentine, whose research focuses on the relationship between hydrology and atmospheric science, land/atmosphere interaction, and its impact on climate change. "This could be a real game-changer for understanding changes in continental water stress going into the future."

Gentine's team is the first to isolate the response of vegetation from the global warming total complex response, which includes such variables for the water cycle as evapotranspiration (the water evaporated from the surface, both from plants and bare soil) soil moisture, and runoff. By disentangling the vegetation response to the global rise of CO2 from the atmospheric (greenhouse gas) response, they were able to quantify it and found that the vegetation actually is the dominant factor explaining future water stress.

"Plants are really the thermostat of the world," says Léo Lemordant, Gentine's PhD student and lead author of the paper. "They're at the center of the water, energy, and carbon cycles. As they take up carbon from the atmosphere to thrive, they release water that they take from the soils. Doing that, they also cool off the surface, controlling the temperature that we all feel. Now we know that mainly plants?not simply precipitation or temperature?will tell us whether we will live a drier or wetter world."

For the study, Gentine and Lemordant took Earth system models with decoupled surface (vegetation physiology) and atmospheric (radiative) CO2 responses and used a multi-model statistical analysis from CMIP5, the most current set of coordinated climate model experiments set up as an international cooperation project for the International Panel on Climate Change. They used three runs: a control run with CO2 at the leaf level and in the atmosphere, a run where only the vegetation responds to a rise in CO2, and a run where only the atmosphere responds to the CO2 increase.

Their results showed that changes in key water-stress variables are strongly modified by vegetation physiological effects in response to increased CO2 at the leaf level, illustrating how deeply the physiological effects due to increasing atmospheric CO2 impact the water cycle. The CO2 physiological response has a dominant role in evapotranspiration and has a major effect on long-term runoff and soil moisture compared to radiative or precipitation changes due to increased atmospheric CO2.

This study highlights the key role of vegetation in controlling future terrestrial hydrologic response and emphasizes that the continental carbon and water cycles are intimately coupled over land and must be studied as an interconnected system. It also emphasizes that hydrologists should collaborate with ecologists and climate scientists to better predict future water resources.

"The biosphere physiological effects and related biosphere-atmosphere interactions are key to predicting future continental water stress as represented by evapotranspiration, long-term runoff, soil moisture, or leaf area index," Gentine says. "In turn, vegetation water stress largely regulates land carbon uptake, further emphasizing how tightly the future carbon and water cycles are coupled so that they cannot be evaluated in isolation."

Gentine and Lemordant plan to further untangle the various physiological effects. "The vegetation response is itself indeed complex," Gentine says, "and we want to decompose the impact of biomass growth vs. stomatal response. There are also implications for extreme heatwave events we are currently working on."

"This work highlights an important need to further study how plants will respond to rising atmospheric carbon dioxide," says James Randerson, professor of earth system science, University of California, Irvine, who was not involved with the study. "Plants can have a big effect on the climate of land, and we need to better understand the ways that they will respond to carbon dioxide, warming, and other forms of global change."

Kebanyakan sistem untuk memecah air ke.....

Kebanyakan sistem untuk memecah air ke dalam komponennya - hidrogen dan oksigen - memerlukan dua pemangkin, satu untuk memacu tindak balas untuk memisahkan hidrogen dan satu lagi untuk menghasilkan oksigen. Pemangkin baru, diperbuat daripada besi dan phosphide dinickel pada busa nikel yang tersedia secara komersil, melakukan kedua-dua fungsi.

Penyelidik mengatakan ia berpotensi untuk menurunkan jumlah tenaga yang diperlukan untuk menghasilkan hidrogen dari air sambil menghasilkan ketumpatan semasa yang tinggi, ukuran pengeluaran hidrogen. Keperluan tenaga yang lebih rendah bermakna hidrogen boleh dihasilkan pada kos yang lebih rendah.

"Ia meletakkan kami lebih dekat kepada pengkomersialan," kata Zhifeng Ren, M.D. Anderson, Profesor Fizik di UH dan pengarang utama kertas yang menggambarkan pemangkin baru yang diterbitkan pada Jumaat di Nature Communications.

Hidrogen dianggap sebagai sumber tenaga yang wajar, dalam bentuk sel bahan bakar untuk kuasa motor listrik atau dibakar dalam enjin pembakaran dalaman, bersama dengan beberapa kegunaan industri. Kerana ia boleh dimampatkan atau ditukar kepada cecair, ia lebih mudah disimpan daripada beberapa bentuk tenaga lain, kata Ren, yang juga seorang penyelidik di Texas Superconductivity Centre di UH.

Tetapi mencari cara praktikal, murah dan mesra alam untuk menghasilkan sejumlah besar gas hidrogen - terutamanya dengan membelah air ke dalam bahagian komponennya - telah menjadi satu cabaran.

Kebanyakan hidrogen kini dihasilkan melalui pembetulan metana stim dan pengegasan arang batu; kaedah tersebut meningkatkan jejak karbon bahan bakar walaupun fakta itu membakar dengan bersih.

Dan sementara pemangkin tradisional boleh menghasilkan hidrogen dari air, pengarang bersama Shuo Chen, pembantu profesor fizik di UH, berkata mereka biasanya bergantung pada elemen kumpulan platinum yang mahal. Itu menimbulkan kos, menjadikan pembahagian air berskala besar tidak praktikal.

"Sebaliknya, bahan kami didasarkan pada unsur-unsur berlimpah bumi dan mempamerkan prestasi setanding dengan bahan kumpulan platinum," katanya. "Ia boleh dipertingkatkan dengan kos rendah, yang menjadikannya sangat menarik dan menjanjikan pengkomersialan pemecahan air."

Penyelidik berkata pemangkin itu kekal stabil dan berkesan melalui lebih daripada 40 jam ujian.

Pemangkin baru, mereka menulis, "terbukti menjadi pemangkin bifunctional yang luar biasa untuk pemisahan air keseluruhan, mempamerkan kedua-dua OER (reaksi evolusi oksigen) yang sangat tinggi dan aktiviti HER (reaksi hidrogen evolusi) dalam elektrolit alkali yang sama. rekod dalam elektrolisis air alkali (1.42 V untuk mendapatkan 10 mA cm-2), manakala pada ketumpatan arus praktikal secara komersil 500 mA cm-2. "

Pemangkin sebelumnya telah menggunakan bahan yang berbeza untuk merangsang reaksi untuk menghasilkan hidrogen daripada yang digunakan untuk menghasilkan oksigen. Ren berkata interaksi antara zarah besi fosfida dan zarah dinosil phosphide menaikkan kedua-dua reaksi. "Entah bagaimana usaha bersama kedua bahan ini lebih baik daripada bahan apa pun," katanya.

Selain Ren dan Chen, penulis lain di atas kertas termasuk Fang Yu, Haiqing Zhou dan Jingying Sun, semuanya dengan Jabatan Fizik UH; Fan Qin dan Jiming Bao, dengan Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer di UH; dan Yufeng Huang dan William A. Goddard III dari Pusat Simulasi Bahan dan Proses di California Institute of Technology.

Most systems to split water into its components -- hydrogen and oxygen -- require two catalysts, one to spur a reaction to separate the hydrogen and a second to produce oxygen. The new catalyst, made of iron and dinickel phosphides on commercially available nickel foam, performs both functions.

Researchers said it has the potential to dramatically lower the amount of energy required to produce hydrogen from water while generating a high current density, a measure of hydrogen production. Lower energy requirements means the hydrogen could be produced at a lower cost.

"It puts us closer to commercialization," said Zhifeng Ren, M.D. Anderson Chair Professor of physics at UH and lead author of a paper describing the new catalyst published Friday in Nature Communications.

Hydrogen is considered a desirable source of clean energy, in the form of fuel cells to power electric motors or burned in internal combustion engines, along with a number of industrial uses. Because it can be compressed or converted to liquid, it is more easily stored than some other forms of energy, said Ren, who also is a researcher at the Texas Center for Superconductivity at UH.

But finding a practical, inexpensive and environmentally friendly way to produce large amounts of hydrogen gas -- especially by splitting water into its component parts -- has been a challenge.

Most hydrogen is currently produced through steam methane reforming and coal gasification; those methods raise the fuel's carbon footprint despite the fact that it burns cleanly.

And while traditional catalysts can produce hydrogen from water, co-author Shuo Chen, assistant professor of physics at UH, said they generally rely on expensive platinum group elements. That raises the cost, making large-scale water splitting impractical.

"In contrast, our materials are based on earth abundant elements and exhibit comparable performance with those of platinum group materials," she said. "It can be potentially scaled-up at low cost, which makes it very attractive and promising for the commercialization of water splitting."

Researchers said the catalyst remained stable and effective through more than 40 hours of testing.

The new catalyst, they wrote, "proves to be an outstanding bifunctional catalyst for overall water splitting, exhibiting both extremely high OER (oxygen evolution reaction) and HER (hydrogen evolution reaction) activities in the same alkaline electrolyte. Indeed, it sets a new record in alkaline water electrolyzers (1.42 V to afford 10 mA cm-2), while at the commercially practical current density of 500 mA cm-2."

Previous catalysts have used different materials to spur a reaction to produce the hydrogen than those that are used to produce the oxygen. Ren said the interaction between the iron phosphide particles and the dinickel phosphide particles boosted both reactions. "Somehow a joint effort of the two materials is better than any individual material," he said.

In addition to Ren and Chen, other authors on the paper include Fang Yu, Haiqing Zhou and Jingying Sun, all with the UH Department of Physics; Fan Qin and Jiming Bao, with the Department of Electrical and Computer Engineering at UH; and Yufeng Huang and William A. Goddard III of the Materials and Process Simulation Center at the CaliforniInTechnology.

Penuaian kabus mungkin kelihatan seperti kerja aneh.

Penuaian kabus mungkin kelihatan seperti kerja aneh. Lagipun, memasang jaring raksasa di sepanjang lereng bukit dan puncak gunung untuk menangkap air daripada bunyi nipis yang lebih seperti kebodohan daripada sains. Walau bagaimanapun, amalan ini menjadi saluran penting untuk membersihkan air untuk ramai yang tinggal di iklim gersang dan separa gersang di seluruh dunia. Kaedah pengumpulan air pasif, tahan lama dan berkesan, penuaian kabus terdiri daripada menangkap titisan air mikroskopik yang digantung dalam angin yang membentuk kabus. Pengambilan kabus adalah mungkin - dan telah mendapat daya tarikan sejak beberapa dekad yang lalu - di kawasan Afrika, Amerika Selatan, Asia, Timur Tengah, dan juga California. Seperti yang digambarkan oleh tajuk berita baru-baru ini pengiraan Afrika Selatan kepada "Zero Hari," atau hari paip air dijangka berjalan kering, kekurangan air terus menjadi masalah yang semakin meningkat di seluruh dunia. Penyelidik terkemuka kini menganggarkan bahawa dua pertiga penduduk dunia sudah hidup di bawah keadaan kekurangan air yang teruk sekurang-kurangnya satu bulan dalam setahun. Penuaian kabus dapat membantu mengurangkan kekurangan itu, dan kini pasukan penyelidik antara disiplin di Virginia Tech telah meningkatkan reka bentuk tradisional jaring kabut untuk meningkatkan kapasiti pengumpulan mereka dengan tiga kali lipat. Diterbitkan di ACS Applied Materials & Interfaces dan sebahagiannya dibiayai oleh Virginia Tech Institute untuk Kreativiti, Kesenian dan Teknologi, penyelidikan pasukan menunjukkan bagaimana pelbagai menegak wayar selari boleh mengubah ramalan untuk penuai kabus. Dalam reka bentuk penyelidik telah menggelar "kecapi kabus," kabel tegak ini menumpahkan titisan air kecil dengan lebih cepat dan lebih cekap daripada jaring mata tradisional yang digunakan dalam jaring kabut. "Dari sudut reka bentuk, saya selalu mendapati ia agak ajaib bahawa anda pada asasnya boleh menggunakan sesuatu yang kelihatan seperti pintu skrin untuk menterjemahkan kabus ke dalam air minuman," kata Brook Kennedy, profesor pereka industri di College of Architecture dan Pengajian Bandar dan salah satu daripada pengarang bersama kajian itu. "Tetapi tatasusunan dawai selari ini benar-benar ramuan khas kesuburan." Jaring kabut telah digunakan sejak 1980-an dan boleh menghasilkan air bersih di mana-mana kawasan yang mengalami kabut yang sering, bergerak. Apabila angin bergerak tetesan air mikroskopik kabus melalui jaring, ada yang tersangkut pada wayar yang ditangguhkan. Titisan ini berkumpul dan bergabung sehingga mereka mempunyai berat badan yang mencukupi untuk mengembara jaring dan menetap ke palung pengumpulan di bawah. Di beberapa projek penuaian kabus terbesar, jaring ini mengumpul purata 6,000 liter air setiap hari. Bagaimanapun, reka bentuk jaringan tradisional jaring kabut telah lama menimbulkan masalah kekangan dua untuk saintis dan jurutera. Sekiranya lubang di dalam mesh terlalu besar, tetesan air melewati tanpa menangkap wayar bersih. Sekiranya jaringan itu terlalu halus, jaring menangkap lebih banyak air, tetapi titisan air menyumbat jaring tanpa berlari ke palung dan angin tidak lagi bergerak melalui jaring. Oleh itu, jaring kabut bertujuan untuk menengah, zon Goldilocks penuaian kabus: jejaring yang tidak terlalu besar dan tidak terlalu kecil. Kompromi ini bermakna jaring boleh mengelakkan penyumbatan, tetapi mereka tidak menangkap sebanyak mungkin air. "Ini masalah kecekapan dan motivasi untuk penyelidikan kami," kata Jonathan Boreyko, pembantu profesor di Jabatan Kejuruteraan Bioperubatan dan Mekanik di Kolej Kejuruteraan. Sebagai pengarang bersama kajian itu, Boreyko berunding dengan teori dan aspek fizikal reka bentuk harp kabin. "Rezim yang tersembunyi untuk membuat kabel lebih kecil tetapi tidak menyumbat adalah apa yang kami cuba capai, ia akan menjadi yang terbaik dari kedua-dua dunia," katanya. Oleh kerana titisan air yang ditangkap dalam kabus bersih bergerak ke bawah dengan graviti, Boreyko membuat hipotesis bahawa penghapusan dawai mendatar jaring akan mengurangkan beberapa penyumbat. Sementara itu, Kennedy, yang pakar dalam reka bentuk biomimetik, mendapati inspirasinya untuk kecapi khinzir. "Rata-rata, kayu merah pantai bergantung kepada titisan kabus untuk kira-kira satu pertiga daripada pengambilan air mereka," kata Kennedy. "Pokok-pokok sequoia yang tinggal di sepanjang pantai California telah berkembang dalam jangka masa yang panjang untuk mengambil kesempatan daripada iklim yang berkarat. Jarum mereka, seperti pokok pain tradisional, diatur dalam pelbagai jenis linear. salib silang. " Mark Anderson, seorang pengkaji bersama pelajar dan pelajar sarjana muda di Jabatan Kejuruteraan Mekanikal, membina beberapa model skala kecapi khinzir dengan pelbagai saiz wayar. Weiwei Shi, seorang pelajar kedoktoran dalam program doktoral mekanik kejuruteraan serta pengarang utama kajian, menguji prototaip kecil dalam ruang alam sekitar dan membangunkan model teoritis percubaan. "Kami mendapati bahawa wayar lebih kecil, lebih cekap pengumpulan air itu," kata Boreyko. "Arahan menegak ini terus menangkap lebih banyak kabus, tetapi penyumbatan tidak pernah berlaku."

Fog harvesting may look like whimsical work.

Fog harvesting may look like whimsical work.

After all, installing giant nets along hillsides and mountaintops to catch water out of thin air sounds more like folly than science. However, the practice has become an important avenue to clean water for many who live in arid and semi-arid climates around the world.

A passive, durable, and effective method of water collection, fog harvesting consists of catching the microscopic droplets of water suspended in the wind that make up fog. Fog harvesting is possible -- and has gained traction over the last several decades -- in areas of Africa, South America, Asia, the Middle East, and even California. As illustrated by recent headlines of South Africa's countdown to "Day Zero," or the day the water taps are expected to run dry, water scarcity continues to be a growing problem across the globe. Leading researchers now estimate that two-thirds of the world's population already live under conditions of severe water scarcity at least one month of the year.

Fog harvesting could help alleviate that shortage, and now an interdisciplinary research team at Virginia Tech has improved the traditional design of fog nets to increase their collection capacity by threefold.

Published in ACS Applied Materials & Interfaces and partially funded by the Virginia Tech Institute for Creativity, Arts, and Technology, the team's research demonstrates how a vertical array of parallel wires may change the forecast for fog harvesters. In a design the researchers have dubbed the "fog harp," these vertical wires shed tiny water droplets faster and more efficiently than the traditional mesh netting used in fog nets.

"From a design point of view, I've always found it somewhat magical that you can essentially use something that looks like screen door mesh to translate fog into drinking water," said Brook Kennedy, associate professor of industrial design in the College of Architecture and Urban Studies and one of the study's co-authors. "But these parallel wire arrays are really the fog harp's special ingredient."

Fog nets have been in use since the 1980s and can yield clean water in any area that experiences frequent, moving fog. As wind moves the fog's microscopic water droplets through the nets, some get caught on the net's suspended wires. These droplets gather and merge until they have enough weight to travel down the nets and settle into collection troughs below. In some of the largest fog harvesting projects, these nets collect an average of 6,000 liters of water each day.

However, the traditional mesh design of fog nets has long posed a dual constraint problem for scientists and engineers. If the holes in the mesh are too large, water droplets pass through without catching on the net's wires. If the mesh is too fine, the nets catch more water, but the water droplets clog up the mesh without running down into the trough and wind no longer moves through the nets.

Thus, fog nets aim for a middle ground, a Goldilocks zone of fog harvesting: mesh that's not too big and not too small. This compromise means nets can avoid clogging, but they're not catching as much water as they could be.

"It's an efficiency problem and the motivation for our research," said Jonathan Boreyko, assistant professor in the Department of Biomedical Engineering and Mechanics in the College of Engineering. As a co-author of the study, Boreyko consulted on the theory and physical aspects of the fog harp's design.

"That hidden regime of making the wires smaller but not clogging is what we were trying to accomplish. It would be the best of both worlds," he said.

Since the water droplets caught in a fog net move downward with gravity, Boreyko hypothesized that removing the horizontal wires of the net would alleviate some of the clogging. Meanwhile, Kennedy, who specializes in biomimetic design, found his inspiration for the fog harp in nature.

"On average, coastal redwoods rely on fog drip for about one-third of their water intake," said Kennedy. "These sequoia trees that live along the California coast have evolved over long periods of time to take advantage of that foggy climate. Their needles, like those of a traditional pine tree, are organized in a type of linear array. You don't see cross meshes."

Mark Anderson, a study co-author and then-undergraduate student in the Department of Mechanical Engineering, built several scale models of the fog harp with varying sizes of wires. Weiwei Shi, a doctoral student in the engineering mechanics doctoral program as well as the study's lead author, tested the small prototypes in an environmental chamber and developed a theoretical model of the experiment.

"We found that the smaller the wires, the more efficient the water collection was," said Boreyko. "These vertical arrays kept catching more and more fog, but the clogging never happened."

The team has already constructed a larger prototype of the fog harp -- a vertical array of 700 wires that measures 3 feet by 3 fe

Air, selalu penting....

Air, selalu penting, selalu kontroversial, selalu menarik, tetap mengejutkan. Untuk bahan yang ada di Bumi, tiga perempat planet kita ditutup, penyelidik masih boleh terkejut dengan beberapa sifatnya, menurut ahli kimia Arizona State University, C. Austen Angell.

Angell, seorang Profesor Bupati di Sekolah Sains Molekul ASU, telah membelanjakan sebahagian besar kerjaya beliau yang menjejaki beberapa ciri fizikal air yang lebih aneh. Dalam satu penyelidikan baru yang baru diterbitkan dalam Sains (9 Mac), Angell dan rakan-rakannya dari University of Amsterdam telah, untuk pertama kalinya, mengamati salah satu sifat yang lebih menarik yang diramalkan oleh teoretik air - yang, dengan penyejukan super yang mencukupi dan di bawah keadaan tertentu ia akan tiba-tiba berubah dari satu cecair ke yang lain. Cecair baru masih air tetapi sekarang ia mempunyai kepadatan yang lebih rendah dan dengan susunan molekul terikat hidrogen yang berlainan dengan ikatan yang lebih kuat yang menjadikannya cecair yang lebih likat.

"Ia tidak ada kaitan dengan 'poli-air,'" Angell menambah mengingatkan kegagalan saintifik beberapa dekad lalu. Fenomena baru adalah peralihan fasa cecair-cecair, dan sehingga kini ia hanya dilihat dalam simulasi komputer model air.

Masalah dengan memerhati fenomena ini secara langsung dalam air sebenar ialah, sejurus sebelum teori itu mengatakan, ia harus berlaku, air sebenar tiba-tiba menjadi kristal. Ini telah dipanggil "tirai penghabluran" dan ia memegang kemajuan dalam memahami fizik air dan air dalam biologi selama beberapa dekad.

"Domain di antara suhu penghabluran ini dan suhu yang lebih rendah di mana air berkaca (dibentuk oleh pemendapan molekul air dari wap) yang mengkristal semasa pemanasan telah dikenali sebagai tanah 'tiada manusia,'" kata Angell. "Kami mendapati cara untuk mengetepikan 'tirai penghabluran' cukup untuk melihat apa yang berlaku di belakang - atau lebih tepat, di bawah - itu," kata Angell.

Peralihan fasa air penting untuk difahami untuk pelbagai aplikasi. Contohnya, jalan raya konkrit dan jalan setapak yang konkrit pada musim sejuk adalah disebabkan peralihan fasa dari air ke ais di bawah konkrit. Peralihan fasa di antara negeri-negeri cecair, yang digambarkan dalam kerja semasa, mempunyai banyak persamaan dengan peralihan ke ais tetapi ia berlaku pada suhu yang lebih rendah, kira -90 C (-130 F), dan hanya di bawah keadaan super sejuk supaya ia kemungkinan besar akan kekal sebagai keingintahuan saintifik untuk masa depan yang boleh dijangka.

Angell menjelaskan bahawa beberapa tahun yang lalu dia dan rakan penyelidikan beliau, Zuofeng Zhao, sedang mengkaji tingkah laku terma jenis penyelesaian berair "ideal" yang telah mereka gunakan untuk meneroka lipatan dan lipatan protein globular. Mereka ingin melihat keupayaan penyelesaian ini untuk supercool dan kemudian vitrify. Mencari had ke dalam domain kaca, mereka menambah air tambahan untuk meningkatkan kebarangkalian penghabluran ais dan mendapati bahawa akhirnya haba berubah sebagai ais yang terhablur (meninggalkan larutan unfrozen yang sisa) seperti yang biasa dijumpai ketika menyejukkan penyelesaian salin, ia sebenarnya menyedihkan haba untuk membentuk fasa cecair baru.

Cecair baru itu lebih likat, mungkin juga berkaca-kaca. Selain itu, dengan membalikkan arah perubahan suhu, Angell dan Zhao mendapati bahawa mereka boleh mengubah fasa baru itu semula ke dalam penyelesaian asal sebelum sebarang ais akan mula menjadi kristal.

"Pemerhatian ini, yang diterbitkan di Angewandte Chemie, menimbulkan minat yang besar tetapi tidak ada maklumat struktur untuk menerangkan apa yang berlaku," kata Angell. Itu berubah apabila Angell melawat Universiti Amsterdam dua musim lalu, dan bertemu dengan Sander Woutersen, pakar dalam spektroskopi inframerah yang sangat berminat dalam aspek struktur fenomena tersebut.

Dalam kertas Sains, pasukan dengan Woutersen, pelajarnya, Michiel Hilbers dan rakannya komputasi Bernd Ensing, kini menunjukkan bahawa struktur yang terlibat dalam peralihan cecair-cecair mempunyai tanda tangan spektroskopi yang sama - dan pola ikatan hidrogen yang sama - seperti dilihat dalam dua bentuk ais yang jelas yang dihasilkan oleh proses alternatif yang berat (fasa pepejal amorf yang tinggi dan berkepadatan rendah).

"Peralihan cecair-cecair yang kami dapati kini dilihat sebagai 'analogan hidup' perubahan antara dua negeri air tulen yang telah dilaporkan pada tahun 1994, menggunakan tekanan tulen sebagai penggerak," jelas Angell.

Hasilnya nampaknya "memberikan keterangan langsung bagi kewujudan peralihan cecair-cecair di belakang 'tirai penghabluran' dalam air tulen," kata Woutersen, sambil menambahkan bahawa penemuan menawarkan penjelasan umum untuk anomali termodinamik air cair, dan pengesahan untuk "teori titik kritikal kedua" yang dikemukakan oleh kumpulan Gene Stanley untuk menerangkan anomali tersebut.

"Tingkah laku ini hampir unik di kalangan pelbagai cecair molekul yang diketahui," tambah Angell. "Hanya beberapa bahan lain

Water, always important,

Water, always important, always controversial, always fascinating, remains surprising. For a substance that is ubiquitous on Earth, three quarters of our planet is covered with it, researchers can still be surprised by some of its properties, according to Arizona State University chemist C. Austen Angell.

Angell, a Regents Professor in ASU's School of Molecular Sciences, has spent a good portion of his distinguished career tracking down some of water's more curious physical properties. In a new piece of research just published in Science (March 9), Angell and colleagues from the University of Amsterdam have, for the first time, observed one of the more intriguing properties predicted by water theoreticians -- that, on sufficient super-cooling and under specific conditions it will suddenly change from one liquid to a different one. The new liquid is still water but now it is of lower density and with a different arrangement of the hydrogen bonded molecules with stronger bonding that makes it a more viscous liquid.

"It has nothing to do with 'poly-water,'" Angell adds recalling a scientific fiasco of many decades ago. The new phenomenon is a liquid-liquid phase transition, and until now it had only been seen in computer simulations of water models.

The problem with observing this phenomenon directly in real water is that, shortly before the theory says it should happen, the real water suddenly crystallizes to ice. This has been called the "crystallization curtain" and it held up progress in understanding water physics and water in biology for decades.

"The domain between this crystallization temperature and the much lower temperature at which glassy water (formed by deposition of water molecules from the vapor) crystallizes during heating has been known as a 'no-man's land,'" Angell said. "We found a way to pull aside the 'crystallization curtain' just enough to see what happens behind -- or more correctly, below -- it," Angell said.

Phase transitions of water are important to understand for a multitude of applications. For example, the well-known and destructive heaving of concrete roads and footpaths in winter is due to the phase transition from water to ice under the concrete. The phase transition between liquid states, described in the current work, has much in common with the transition to ice but it occurs at a much lower temperature, about -90 C (-130 F), and only under super-cooled conditions so it is likely to remain mostly a scientific curiosity for the foreseeable future.

Angell explained that a couple of years ago he and his research associate Zuofeng Zhao, were studying the thermal behavior of a special type of "ideal" aqueous solution they had been using to explore the folding and unfolding of globular proteins. They wanted to observe these solutions' ability to supercool and then vitrify. Seeking the limit to the glassy domain, they added extra water to enhance the probability of ice crystallization and found that instead of finally evolving heat as ice crystallized (leaving a residual unfrozen solution) as is normally found when cooling saline solutions, it actually gave off heat to form a new liquid phase.

The new liquid was much more viscous, maybe even glassy. Furthermore, by reversing the direction of the temperature change, Angell and Zhao found that they could transform the new phase back into the original solution before any ice would start to crystallize.

"This observation, published in Angewandte Chemie, raised considerable interest but there was no structural information to explain what was happening," Angell said. That changed when Angell visited the University of Amsterdam two summers ago, and met Sander Woutersen, a specialist in infrared spectroscopy who became very interested in the structural aspects of the phenomenon.

In the Science paper, the team with Woutersen, his student Michiel Hilbers and his computational colleague Bernd Ensing has now shown that the structures involved in the liquid-liquid transition have the same spectroscopic signatures -- and the same hydrogen bonding patterns -- as are seen in the two known glassy forms of ice produced by laborious alternative processes (high- and low-density amorphous solid phases of water).

"The liquid-liquid transition we had found was now seen to be the 'living analog' of the change between two glassy states of pure water that had been reported in 1994, using pure pressure as the driving force," Angell explained.

The results would seem to "provide direct evidence for the existence of a liquid-liquid transition behind the 'crystallization curtain' in pure water," Woutersen said, adding that the findings offer a general explanation for the thermodynamic anomalies of liquid water, and a validation for the "second critical point theory" put forward by Gene Stanley's group to explain those anomalies.

"This behavior is almost unique among the myriad of known molecular liquids," Angell added. "Only a few other substances