Morskie żele. Kiedy woda w morzu zmienia się w płyn nienewtonowski

Płynem nienewtonowskim, z którym chętnie robi się eksperymenty w przedszkolach czy szkołach, jest woda zmieszana z mąką ziemniaczaną (w relacji np. 1:2 czy 2:3). Kiedy taką masę szybko się ugniata - nabiera ona konsystencji plasteliny i daje się z niej formować w rękach kulki. Kiedy jednak masę przestaje się naciskać - traci ona swoją formę i zaczyna przypominać ciecz - przepływa między palcami. W spektakularnych pokazach wypełnia się taką masą basen. Po powierzchni basenu daje się przebiec niemal suchą stopą. Kiedy jednak ktoś stanie tam bez ruchu - masa oblepia mu stopy i zaczyna go stopniowo zatapiać.

Sekretem płynu - który sprawia, że ma on takie nieoczywiste własności - jest jego zmienna lepkość. Cecha ta bowiem zmienia się (i to nieliniowo) w zależności choćby od szybkości odkształcania materiału. W przypadku mieszaniny mąki i wody im szybciej się ją naciska, tym jest ona bardziej “zwarta” - czyli mniej się lepi. To tzw. płyn zagęszczany ścinaniem.

Są jednak i inne płyny nienewtonowskie - tzw. rozrzedzane ścinaniem - w których przyłożenie odpowiedniej siły powoduje, że stają się mniej lepkie i zaczynają “płynąć”. Do takich płynów należy choćby keczup, szampon, krew, farba czy ruchome piaski. Pozostawione same sobie - mają dużą lepkość i wydają się mało płynne. Jeśli jednak przykładamy do nich naprężenia (np. szybko je naciskamy lub nimi trzęsiemy) - stają się mniej lepkie. To dlatego w ruchomych piaskach lepiej okiełznać panikę i poruszać się powoli, aby nie zapadać się coraz głębiej pod powierzchnię. A butelką keczupu - trzeba mocno potrząsnąć, żeby sos zaczął z niej płynąć (nieźle spisuje się tu trzymanie butelki pod kątem 45 stopni do podłoża i uderzanie w butelkę prostopadle do kąta jej nachylenia).

I właśnie takim nienewtonowskim płynem tego drugiego typu - rozrzedzanym ścinaniem - może się w pewnych warunkach stawać woda morska, w której zakwitły niektóre gatunki alg i sinic. Organizmy takie wydzielają - aby zapewnić sobie pożądane warunki do życia - polimerowe substancje o konsystencji śluzu, tzw. egzopolimery. Ekstremalne ilości takiego “śluzu morskiego” (po angielsku – mucilage lub potocznie sea snot) zdarzają się choćby w Morzu Marmara, w Morzu Śródziemnym, u wybrzeży Japonii, czy w Zatoce Biskajskiej - wymienia w rozmowie z PAP dr hab. inż. Magdalena Mrokowska, profesor Instytutu Geofizyki PAN.

Dr Mrokowska w swoich badaniach opisuje to, w jaki sposób w obecności takiego śluzu opadać mogą na dno morza niewielkie cząstki stałe - takie jak obumarłe szczątki organizmów, materia nieorganiczna, mikroplastiki czy tzw. śnieg morski.

Poznanie fizyki tego, jak poruszają się takie cząstki w przypadku wystąpienia ekstremalnego stężenia egzopolimerów, może się przydać biologom, ekologom morza, oceanologom, klimatologom - choćby do dokładniejszego modelowania obiegu węgla - budulca cząstek organicznych - w przyrodzie czy badania mikrobiologicznych sieci pokarmowych.

Teraz badaczka i jej współpracownicy - w skonstruowanym w laboratorium modelu - przyjrzeli się temu, jak poruszają się takie cząstki w cieczy nienewtonowskiej, jaką jest woda z różnym stężeniem soli i egzopolimerów. Badania ukazały się w Marine Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.marchem.2022.104163).

Dr Mrokowska tłumaczy, że egzopolimery są żelami tworzącymi w wodzie trójwymiarową sieć. Mogą mieć różną strukturę – początkowo mogą tworzyć układ koloidalny, następnie łączyć się w żelowe mikroagregaty zawierające także inną materię organiczną i mineralną, a w ekstremalnych przypadkach z czasem mogą tworzyć kilkumetrowe gęste struktury obserwowane np. w Adriatyku.

“Mikroorganizmy mogą to odczuwać tak, jakby pływały w galarecie” - opisuje dr Mrokowska. Z badań zespołu wynika, że polimery obecne w wodzie mogą zupełnie zmienić dynamikę cząstek morskich - zarówno prędkość jak i pozycję, w jakiej opadają w porównaniu z tym, co dzieje się w „zwykłej” wodzie morskiej. W takich warunkach inaczej będą przebiegały procesy w skali mikro związane z oddziaływaniami pomiędzy cząstkami takimi jak agregacja, ale też motoryka mikroorganizmów. “Mikroorganizmy nieznaczne z naszego punktu widzenia zwiększenie lepkości ośrodka mogą odczuwać tak, jakby poruszały się w galarecie” - opisuje dr Mrokowska.

Zmiany w dynamice cząstek w skali mikro przekładają się z kolei na tempo sedymentacji, a ta chociażby na transport węgla na dno mórz i oceanów wraz z opadającą obumarłą materią organiczną, co jest istotne z punktu widzenia redukcji dwutlenku węgla w atmosferze. Do efektywnego badania wielkoskalowych procesów niezbędna jest więc wiedza na temat tego, co dzieje się na poziomie pojedynczych cząstek, a w przypadku ekstremalnych ilości egzopolimerów obserwowanych w niektórych morzach jest jeszcze wiele do zbadania w tym zakresie. Badaczka podsumowuje, że dynamika opadania zależy zarówno od stężenia polimerów, jak i soli w wodzie. Może się np. zdarzyć, że jeśli roztwór jest dość rzadkim żelowym koloidem - cząstki opadać będą wolniej, niż kiedy w wodzie pływają gęste agregaty śluzu, które da się ominąć. Zależności, jakie można tu obserwować wcale nie muszą być oczywiste.

„To, że procesy w wodzie morskiej mogą podlegać nienewtonowskim regułom, jest dość dużą zmianą w podejściu do badania zjawisk dobrze poznanych i opisanych w kolumnie newtonowskiej wody morskiej. Do pewnego stopnia możemy czerpać wiedzę z innych dziedzin zajmujących się nienewtonowskimi własnościami wodnych roztworów egzopolimerów, jednak niezbędne są badania ukierunkowane na warunki panujące w środowisku morskim. Wysokie stężenia egzopolimerów wymagają modyfikacji standardowo stosowanych w mikro- i makroskali modeli i uwzględnienia nowych efektów takich jak np. wpływ lepkosprężystości na pozycję opadających cząstek. Mam nadzieję, że nasza praca przyczyni się do rozwinięcia metodyki badania zjawisk nienewtonowskich w morzach w sytuacji ekstremalnych zakwitów alg” - podsumowuje dr Mrokowska.

Badaczka zaznacza, że w Polsce, choć również zdarzają się zakwity alg i sinic, to na razie nie wykazano, że właściwości wody zmieniają się tam w aż tak dużym stopniu, aby tworzyła ona płyn nienewtonowski. Dodaje jednak, że w związku z globalnym ociepleniem przewiduje się, że zakwity alg na całym świecie będą coraz częstsze i intensywniejsze. A co za tym idzie, możemy spodziewać się więcej egzopolimerowych żeli w morzach.

Źródło informacji: Nauka w Polsce