Хотя вода окружает нас повсюду, ее кристаллизация остается необъясненным явлением. Ученым известно около двух десятков различных структурных форм льда. Лишь одна из них – лед-I – формируется в условиях, характерных для Земли. Японские физики установили, что образование льда на поверхности жидкой воды может начинаться с микроскопического предшественника, структура которого напоминает «нулевой» лед.
Вода обладает уникальной особенностью – способностью сохранять жидкое состояние при температуре ниже точки замерзания, не образуя кристаллов. В чистой форме ее можно охладить до минус 40 градусов, и она все еще будет оставаться в жидком виде. Этот феномен часто встречается в атмосферных облаках.
В 2014 году японские ученые Хадзимэ Танака и Джон Руссо, работавшие в Институте прикладных наук Токийского университета выяснили, переохлажденная вода не способна сразу перейти в лед-I, поскольку молекулы расположены не так, как в обычном жидком состоянии. Однако структура льда-0 и переохлажденной воды схожа, что позволяет льду-0 выступать в качестве промежуточного этапа при переходе в лед-I.
В новой научной работе Танака и его коллеги из общественного объединения Frost Protection Science при Токийском университете показали, что лед-0 может запустить кристаллизацию капли воды близ поверхности, а не изнутри. Их открытие, подробности о котором представлены в журнале Nature Communications, поможет понять, как образуется лед.
Формирование кристаллов льда, или зарождение ледяных ядер, происходит на твердых поверхностях. Например, на стенках контейнера, где жидкость с ними контактирует. Однако, новые данные свидетельствуют о том, что ледяные ядра способны образовываться и непосредственно под поверхностью, в месте соприкосновения воды с воздухом. Это небольшие кристаллические зародыши, напоминающие округлые образования «нулевого» льда.
«Моделирование продемонстрировало, что при постоянной температуре капли воды легче образуют кристаллы вблизи открытой поверхности ( при постоянной температуре. — Прим. ред.). Это завершает продолжительные дискуссии о механизме кристаллизации — происходит ли она на поверхности или внутри материала», — отметил Ганг Сан, ведущий автор исследования.
Лед-0 способствует кристаллизации переохлажденной воды. Микроскопические предшественники «нулевого» льда формируются самопроизвольно, вследствие отрицательного давления, возникающего из-за поверхностного натяжения воды. Начавшись из зародышей, кристаллизация быстро приводит к изменению структуры льда-0, которая становится похожей на структуру льда-I.
Танака, руководитель исследования, отметил, что данное открытие может найти применение в различных сферах, таких как климатология и агрономия, где кристаллизация воды играет ключевую роль. Также оно имеет значение для метеорологии, изучающей формирование облаков, и для таких технических областей, как, например, кондиционирование воздуха.