Исследователи обнаружили новый механизм образования льда
Лед гораздо сложнее, чем кажется, и науке известно более 20 различных разновидностей, образующихся при различных сочетаниях давления и температуры. Тот вид, который мы используем для охлаждения напитков, известен как лед I, и это одна из немногих форм льда, которые существуют естественным образом на Земле.
Исследователи из Японии недавно обнаружили еще один тип льда: лед 0, необычную форму льда, которая может способствовать образованию ледяных кристаллов в переохлажденной воде.
Образование льда вблизи поверхности жидкой воды может начинаться из крошечных кристаллических предшественников со структурой, похожей на редкий тип льда, известный как лед 0.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи из исследовательского отдела социального сотрудничества «Наука защиты от замерзания» Института промышленных наук Токийского университета показали, что эти структуры, похожие на ледяной 0, могут привести к замерзанию капли воды вблизи ее поверхности, а не в ее ядре. Это открытие решает давнюю загадку и может помочь переосмыслить наше понимание того, как образуется лед.
Кристаллизация льда, известная как зародышеобразование льда, обычно происходит гетерогенно, или, другими словами, на твердой поверхности . Обычно ожидается, что это произойдет на поверхности контейнера с водой, где жидкость встречается с твердым телом.
Однако это новое исследование показывает, что кристаллизация льда может также происходить прямо под поверхностью воды, где она встречается с воздухом. Здесь лед зарождается вокруг небольших предшественников с той же характерной кольцевой структурой, что и лед 0.
«Моделирование показало, что капля воды с большей вероятностью кристаллизуется вблизи свободной поверхности в изотермических условиях», — говорит ведущий автор исследования Ганг Сан. «Это разрешает давний спор о том, происходит ли кристаллизация легче на поверхности или внутри».
Предшественники льда 0 имеют структуру, очень похожую на структуру переохлажденной воды, что позволяет молекулам воды легче кристаллизоваться из нее, без необходимости непосредственного формирования структуры обычного льда.
Крошечные предшественники льда 0 образуются спонтанно, в результате эффектов отрицательного давления, вызванных поверхностным натяжением воды. Как только начинается кристаллизация из этих предшественников, структуры, похожие на лед 0, быстро перестраиваются в более знакомый лед I.
Старший автор Хадзиме Танака подчеркивает широкомасштабные последствия этого исследования, отмечая, что «ожидается, что результаты, касающиеся механизма поверхностной кристаллизации воды, внесут значительный вклад в различные области, включая климатические исследования и науки о продуктах питания, где кристаллизация воды играет решающую роль».
Более детальное понимание льда и того, как он образуется, может дать бесценную информацию в различных областях исследований.
Эта работа может иметь особое значение в метеорологии, например, где образование льда через предшественников, подобных льду 0, может иметь гораздо более заметный эффект в небольших каплях воды, таких как те, что находятся в облаках. Понимание льда может иметь преимущества и в технологиях, от пищевых наук до кондиционирования воздуха.