Создавая лед из крошечных капель, учёные снизили температуру замерзания воды до рекордного уровня. Данная работа может пригодиться в будущем как климатологии, так и материаловедению. .
Образование льда из капель воды имеет огромное значение в природе: от изменения климата до формирования облаков и жизнедеятельности животных в холодных условиях.
В основном эти сценарии преобразуются в гетерогенном режиме, когда нанокапли взаимодействуют с другой средой. Исследование этого превращения на уровне наномасштаба всё ещё открыто.
Эмпирическое правило гласит, что вода замерзает при нуле градусов Цельсия, но при особых обстоятельствах она может оставаться жидкой и при более низких температурах. Считали, что эта граница находится на отметке -38 °C. В ходе исследования группа ученых установила новый рекорд.
Особые условия
Прорыв произошел благодаря двум важным факторам. Во-первых, ученым удалось создать крошечные капли размером от 150 нанометров до примерно двух нанометров. Такой размер капли сопоставим с вирусом гриппа и, по сути, содержит 275 молекул воды. Разные пропорции капель позволили исследователям изучить влияние размера капель на превращение воды в лед.
Важным фактором было окружение, в котором формировались эти капли. Оказалось, что покрытие капель воды мягким материалом понижает температуру их замерзания ещё сильнее. — Пояснил профессор машиностроения Хьюстонского университета Хади Гасеми.
Для смягчения использовался октан — масло, окружающее каждую каплю в нанопорах мембраны из анодированного оксида алюминия. Такой подход сделал капли более округлыми даже при высоком давлении, что, по мнению исследователей, важно для предотвращения образования льда при низких температурах.
Чтобы увидеть этот переходный этап в таком масштабе, учёные использовали измерения электропроводности (лёд проводит ток лучше, чем жидкая вода) и инфракрасного излучения, чтобы определить точную дату и температуру трансформации капель.
Чем меньше капля, тем холоднее ей нужно быть для образования льда. При переходе из жидкого в твердое состояние в самых маленьких структурах температура может достигать -44 °C. Это рекорд. В природе или в еще более экстремальных масштабах такие условия встречаются или нет, неизвестно.
Знание трансформации воды в лед важно для понимания природных явлений: климатических колебаний, облаков и круговорота воды. Благодаря этому можно лучше узнать виды, живущие при замерзании, и создать материалы, препятствующие образованию льда.