To znak nadziei. Pfizer ogłosił, że jego szczepionka Covid-19 może być skuteczna w 90 procentach. To mogłoby naprawdę pomóc nam ominąć tę przeklętą pandemię. Ale jest pewien haczyk. Szczepionka oparta jest na mRNA (messenger RNA) – odczytuje ono DNA w jądrze komórki i przenosi instrukcje do cytoplazmy, gdzie produkowane są białka. Problem polega na tym, że mRNA jest zwykle krótkotrwałe. Albo wchodzi w interakcje z tlenem, albo składa się na siebie i wtedy nie wykonuje swojej pracy. Jeśli więc chcesz wykorzystać go w szczepionce, musisz sprawić, by mRNA działało dłużej. Oznacza to, że trzeba go trzymać w niskiej temperaturze. Naprawdę zimne. Standardowa temperatura przechowywania tego typu szczepionek to -80 stopni Celsjusza. Yup. Więc, to oznacza, że musimy porozmawiać o zimnych rzeczach. Zróbmy to.
Jak zimne jest -80 stopni Celsjusza?
Może nie jesteś zbyt zaznajomiony z jednostkami temperatury w Celsjuszach – słyszę cię. Szczerze mówiąc, nie ma nic złego w jednostce temperatury Fahrenheita (poza tym, że nigdy nie pamiętam, jak się ją pisze). Zaletą jednostki Celsjusza jest to, że łatwiej jest ją skalibrować. Pierwotna metoda polegała na użyciu punktu zamarzania wody jako 0°C i punktu wrzenia wody jako 100°C. Jednakże, wartość 1°C została później przedefiniowana i została określona na podstawie stałej Boltzmana – fundamentalnej stałej, która określa związek pomiędzy średnią energią kinetyczną cząsteczek a temperaturą układu.
Jeśli znasz dwie odpowiadające sobie wartości temperatury zarówno w °C, jak i °F, możesz ułożyć równanie, które konwertuje z Celsjusza na Fahrenheita. Możesz również użyć swoich podstawowych umiejętności algebraicznych, aby zmienić to równanie w równanie, które bierze temperaturę w Fahrenheitach i konwertuje na Celsjusza. Oto te dwa równania.
Więc, jeśli włożysz temperaturę -80°C otrzymasz temperaturę -112°F. Tak, to całkiem zimno. Ale oto moja ulubiona temperatura: minus 40. Są dwie wspaniałe rzeczy związane z -40. Po pierwsze, nie musisz określać, czy jest to temperatura w Celsjuszu czy Fahrenheicie, ponieważ -40°C = -40°F (sprawdź to sam). Drugą wspaniałą rzeczą związaną z -40 jest to, że jest to temperatura panująca na powierzchni Hoth (z filmu Gwiezdne Wojny V: Imperium Kontratakuje). OK, może nie wszyscy zgadzają się co do temperatury na Hoth, ale jest to wartość użyta w odcinku Star Wars w MythBusters, więc będę się jej trzymał.
How Do You Get Stuff Down to -80 Degrees Celsius?
Najprostszym sposobem na uzyskanie zimna jest umieszczenie go w kontakcie termicznym z innym obiektem, który jest jeszcze zimniejszy. Ale możesz nie być w stanie znaleźć czegoś zimniejszego niż -80°C (chociaż jest jedna opcja, do której przejdę za chwilę). Oznacza to, że musisz użyć innej metody chłodzenia. Prawdopodobnie najbardziej powszechną metodą chłodzenia jest ta sama, której używa Twoja lodówka. Możesz zrozumieć jak to działa z bardzo prostym demo używając gumki – więc idź po jedną.
OK, masz swoją gumkę (miejmy nadzieję). Weź ją i rozciągnij rękami, i trzymaj ją rozciągniętą. Teraz dotknij rozciągniętą gumkę do swojej wargi (która jest bardzo wrażliwa na zmiany temperatury). Powinieneś być w stanie wyczuć, że gumka jest cieplejsza niż temperatura pokojowa. Nie pozwól, aby gumka się rozluźniła, po prostu trzymaj ją rozciągniętą przez chwilę (co najmniej 30 sekund). Powinna ochłodzić się z powrotem do temperatury pokojowej. Następna część jest najlepsza. W końcu pozwól gumce powrócić do normalnej długości. Dotknij ją z powrotem do swojej wargi i możesz poczuć, że gumka jest teraz zimna.
Więc, oto co się stało. Rozciąganie gumki powoduje jej rozgrzanie. Jeśli pozwolisz jej od razu powrócić do pierwotnej długości, nie stanie się nic ciekawego. Jednakże, pozwalając rozciągniętej gumce schłodzić się do temperatury pokojowej, jej temperatura nadal spada, gdy powraca do stanu rozluźnienia – ale teraz jest zimniejsza niż temperatura pokojowa.
To jest dokładnie to, co robi lodówka – z wyjątkiem tego, że nie używa gumek. Zamiast tego używa pewnego rodzaju ciekłego gazu zwanego czynnikiem chłodniczym (istnieje wiele różnych substancji chemicznych, których można użyć w tym celu). Można zacząć od tego, że czynnik chłodniczy jest gazem i sprężać go, aż stanie się cieczą. Sprężanie powoduje ogrzanie czynnika chłodniczego. Następnym krokiem jest schłodzenie sprężonego czynnika chłodniczego na zewnątrz lodówki. Teraz można umieścić czynnik chłodniczy wewnątrz lodówki i pozwolić mu ponownie rozprężyć się do postaci gazu, a następnie schłodzić go – znacznie zimniej niż w temperaturze pokojowej. W ten sposób utrzymujesz zimną żywność.
Ale co jest innego w zamrażarce o temperaturze -80 stopni do przechowywania szczepionek? Okazuje się, że jest całkiem niemożliwe, aby temperatura wewnątrz zamrażarki spadła do -80°C przy użyciu normalnego czynnika chłodniczego. Zamiast tego potrzebne są DWA zestawy czynników chłodniczych. Jest to coś w rodzaju zamrażarki wewnątrz zamrażarki. Zewnętrzna zamrażarka jest całkiem podobna do tej w twojej kuchni. Wewnętrzna zamrażarka używa innego czynnika chłodniczego (może to być alkohol izopropylowy), więc kiedy jest on sprężony, może się ochłodzić wewnątrz normalnej zamrażarki. Ale mieć dwa kompresory jest co robi te droższym. Oh, chcesz zobaczyć zdjęcie?
To jest zamrażarka w laboratorium biochemicznym na Southeastern Louisiana University. Teraz już wiesz, jak wygląda.
Suchy lód
Mówiłem, że jest coś, co można znaleźć w temperaturze -80°C, a jest to suchy lód – stały dwutlenek węgla. Aby wytworzyć suchy lód, zaczynasz od gazowego dwutlenku węgla. Ten gazowy dwutlenek węgla jest następnie schładzany i sprężany do postaci ciekłego dwutlenku węgla. Następnie, gdy ciekły dwutlenek węgla zostanie pozbawiony ciśnienia, ponownie zamienia się w gaz. Ale ta przemiana fazowa również obniża temperaturę i sprawia, że staje się on wystarczająco zimny, aby zamarznąć w temperaturze -80°C i stać się ciałem stałym.
Ale stały dwutlenek węgla robi dziwne rzeczy przy ciśnieniu atmosferycznym (ciśnienie 1 atm) – kiedy się rozgrzewa, przechodzi od razu ze stanu stałego do gazowego, nie stając się najpierw cieczą. Nazywa się to sublimacją. To znaczy, to jest dziwne. Skoro nie zamienia się w ciecz, to nie jest mokra. Tak, to stąd pochodzi nazwa „suchy lód”.
Czy H2O też może to robić? Yup. Lubimy myśleć o temperaturze zamarzania i topnienia wody jako o jakiejś ustalonej temperaturze, ale tak nie jest. Zależy ona również od ciśnienia. Dlatego warto zrobić wykres zależności temperatury od ciśnienia dla różnych substancji chemicznych. Nazywamy to diagramem fazowym. Oto jak by to wyglądało dla H2O.
Na tym wykresie jest bardzo dużo, więc pozwolę sobie zwrócić uwagę na kilka ważnych rzeczy. Spójrz na tę poziomą przerywaną linię. Jest to linia odpowiadająca ciśnieniu atmosferycznemu (czyli ciśnieniu, z jakim żyjemy na powierzchni Ziemi). Jeśli spojrzysz na wykres po lewej stronie wzdłuż linii przerywanej, to będzie to zimna rzecz, a woda będzie ciałem stałym (nazywamy ją lodem). W punkcie A temperatura wynosi 0°C i jest to temperatura przejścia fazowego ze stanu stałego w ciekły. Punkt B znajduje się w temperaturze 100°C i jest to temperatura przejścia fazowego z cieczy w gaz. Ale co z punktem C? Nazywa się go punktem potrójnym. Jeśli obniżysz ciśnienie, możesz mieć fazę stałą, ciekłą i gazową w tym samym czasie. W przypadku wody dzieje się to w temperaturze 0,1°C i pod ciśnieniem 0,006 atmosfery. Jest to całkiem fajne – sprawdź to na tym filmie.
Możesz zobaczyć, jak dwutlenek węgla różni się patrząc na diagram fazowy. Wygląda on mniej więcej tak.
Jeśli spojrzysz na linię przerywaną dla ciśnienia 1 atmosfery, to jest ona teraz poniżej punktu potrójnego. Oznacza to, że ciało stałe dokona przemiany fazowej prosto w gaz. Tak jest w przypadku suchego lodu. Ale jeśli zwiększysz ciśnienie do około 5 atmosfer, MOŻESZ sprawić, że stały dwutlenek węgla przejdzie w fazę ciekłą. Jako bonus, pokażę wam ten ciekły dwutlenek węgla.
Oto jak możecie to zrobić. Włóż suchy lód do plastikowego pojemnika, który jest szczelnie zamknięty na obu końcach. Ja użyję przezroczystej plastikowej słomki do picia. Gdy suchy lód się rozgrzeje, zamieni się w gaz, tak jak lubi to robić suchy lód. Jednak ten gazowy dwutlenek węgla nie ma dokąd uciec, a to powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz słomki. W końcu ciśnienie staje się tak wysokie, że powstaje ciekły dwutlenek węgla. Ale w końcu ciśnienie staje się zbyt wysokie i słomka eksploduje. To nie jest wielka eksplozja – to tylko słomka. Proszę, sprawdź to.
Po prostu myślę, że to naprawdę fajne. Zazwyczaj, kiedy masz ciekły dwutlenek węgla, jest on w metalowym zbiorniku ciśnieniowym i właściwie nie możesz go zobaczyć. Cóż, przynajmniej ja nigdy tego nie widziałem, zanim nie przeprowadziłem tego eksperymentu.
Ale co ze szczepionką Covid-19?
Tak, to jest problem logistyczny, który stoi przed nami w tej chwili. Będzie dość trudno wysłać, a następnie przechowywać szczepionkę tak, aby można ją było rozprowadzić. Będzie to wymagało kombinacji ultra zimnych zamrażarek i przechowywania w suchym lodzie. Ale tak czy inaczej, wygląda na to, że naprawdę potrzebujemy szczepionki, aby pokonać tę pandemię. Jak każdy bohater, potrzebuje ona bocznego kopniaka, którym w tym przypadku jest super zimne chłodzenie.
Więcej wspaniałych historii WIRED
- 📩 Chcesz najnowszych informacji na temat technologii, nauki i nie tylko? Zapisz się na nasze newslettery!
- Dziwna i pokręcona opowieść o hydroksychlorochinie
- Jak uciec z tonącego statku (np, Titanic)
- Przyszłość McDonald’s jest w drive-thru lane
- Dlaczego to ma znaczenie, której ładowarki używasz do swojego telefonu
- Najnowsze wyniki szczepionki Covid, rozszyfrowane
- 🎮 Gry WIRED: Najnowsze porady, recenzje i inne informacje
- 💻 Ulepsz swoją grę w pracy dzięki ulubionym laptopom, klawiaturom, alternatywom do pisania i słuchawkom z redukcją szumów