Создавая лед из микроскопических капель, исследователи понизили температуру замерзания воды как никогда ранее. Эта работа может в один прекрасный день послужить как климатологии, так и материаловедению. Подробности исследования опубликованы в журнале .
Превращение нанокапель воды в лед играет ключевую роль в природе, включая изменение климата, микрофизику облаков, механизм выживания животных в холодной среде, а также в широком спектре технологий.
В большинстве этих сценариев преобразование происходит в гетерогенном режиме, когда нанокапли находятся в контакте с другой средой. Однако экспериментальное исследование этой трансформации на наномасштабе остается нерешенным.
Согласно эмпирическому правилу, вода замерзает при нуле градусов Цельсия, но мы знаем, что при определенных условиях она может оставаться в жидком состоянии в еще более холодном диапазоне температур. До сих пор мы считали, что этот диапазон останавливается на отметке -38 °C. Кроме того, вода в любом случае должна замерзнуть. Однако в ходе исследования группа исследователей побила этот рекорд.
Особые условия
Этот прорыв был связан с двумя ключевыми факторами. Во-первых, исследователи должны были создать крошечные капельки размером от 150 нанометров, что едва ли больше частицы вируса гриппа, до примерно двух нанометров (что, по сути, концентрирует 275 молекул воды). Такой диапазон различных пропорций позволил исследователям понять роль размера этих капель в превращении воды в лед.
Вторым важным фактором была среда, в которой эти капли развивались. «Мы обнаружили, что, если капли воды покрыты мягким материалом, температура замерзания может быть снижена еще больше«, — сказал Хади Гасеми, профессор машиностроения в Хьюстонском университете.
В качестве мягкого материала здесь использовался октан, своего рода масло, окружающее каждую каплю в наноразмерных порах мембраны из анодированного оксида алюминия. Такой подход позволил придать каплям более округлую форму при более высоком давлении, что, по мнению исследователей, необходимо для предотвращения образования льда при таких низких температурах.
Для того чтобы наблюдать эту переходную фазу в таких больших масштабах, исследователи опирались на измерения электропроводности (лед более электропроводен, чем жидкая вода) и света, излучаемого в инфракрасном спектре, чтобы зафиксировать точное время и температуру, при которой капли трансформировались.
Они обнаружили, что чем меньше капля, тем холоднее она должна быть, чтобы образовался лед. В самых маленьких структурах переход из жидкого состояния в твердое происходил бы при температуре -44 °C. Это рекорд. Встречаются ли такие условия на самом деле в природе или в еще более экстремальных масштабах, исследователи не знают.
Однако, как уже упоминалось выше, знание того, как и почему вода превращается в лед, будет иметь ключевое значение для понимания широкого спектра природных процессов, таких как колебания климата, динамика облаков и круговорот воды. Мы также сможем лучше понять виды, которые процветают в условиях замораживания, а также разработать материалы, которые предотвращают образование льда.