_ Spargerea gheață: informații moleculare despre înghețarea picăturilor de apă sărată

Într-un nou studiu, cercetătorii au observat înghețarea picăturilor de apă sărată la nivel molecular, oferind noi perspective pentru tehnologiile de dezghețare și antigivrare. Spre deosebire de înțelepciunea convențională, aceste picături nu se conformează tiparelor tipice de îngheț observate în apa pură.

Echipa de cercetare, al cărei studiu a fost publicat în Nature Communications, a efectuat experimente pentru a descoperi formarea unei saramuri ( apă sărată) deasupra picăturilor de apă de mare înghețate, care nu fuseseră raportate anterior.

Acest lucru a fost însoțit de apariția de cristale de gheață din partea de jos a peliculei de saramură, care cresc până când străpung partea superioară a picătura dintr-un fenomen numit „încolțire de gheață”. Acestea au fost validate folosind simulări de dinamică moleculară (MD)

Au efectuat în continuare un experiment analog pentru a măsura ratele de precipitare și condensare a gheții, susținând mecanismul propus.

Înghețarea picăturilor de apă pură de obicei, urmează un proces bine înțeles în care picătura se răcește treptat până ajunge la punctul de îngheț. Apoi, cristalele de gheață se formează și cresc, luând o structură solidă de gheață cu un vârf singular, ascuțit.

Pe de altă parte, înghețarea picăturilor de apă sărată introduce complexități suplimentare. Pe măsură ce picătura îngheață, concentrația de sare din interior afectează punctul de îngheț, scăzând de obicei în comparație cu apa pură. Acest lucru face, de asemenea, să dispară vârful ascuțit al picăturii, așa cum sa raportat în cercetările anterioare.

Procesul de înghețare, care se referă la acumularea de gheață pe suprafețe sau obiecte din cauza înghețului picăturilor de apă, poate provoca daune. la mai multe procese, cum ar fi navigația, aviația și infrastructura.

Cu toate acestea, comportamentul picăturilor de apă sărată introduce considerații suplimentare. Prezența unui strat de saramură poate influența aderența picăturii înghețate la suprafețe, afectând potențial strategiile antigivrare sau acoperirile de suprafață concepute pentru a atenua înghețarea.

Primul autor al studiului, dr. Fuqiang Chu, asociat Profesor la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing, a vorbit pentru Phys.org despre munca lor.

„Sunt curios despre fenomenul de înghețare și am început să-l studiez în timp ce îmi urmăream doctoratul. Cu toate acestea, cred oamenii nu au putut înțelege pe deplin acest fenomen până acum, mai ales când se folosește o picătură binară, cum ar fi o picătură sărată.”

„În această lucrare, am studiat procesul de înghețare a picăturilor sărate și am încercat să descoperim unicitatea. de înghețare a picăturilor sărate în comparație cu picăturile de apă pură”, a spus dr. Chu.

Pentru a studia procesul de înghețare a apei sărate, cercetătorii au folosit apă sărată cu concentrații variate de sare. Au folosit un modul de refrigerare cu semiconductor pentru a asigura o răcire controlată, permițându-le să regleze temperatura suprafeței sub punctul de îngheț al picăturilor.

Picăturile de apă sărată au fost injectate pe suprafața experimentală, unde au fost supuse procesului de înghețare. Microfotografie de mare viteză a fost folosită pentru a înregistra și analiza fenomenele de înghețare, inclusiv formarea peliculei lichide deasupra picăturilor înghețate.

Ei au observat prezența saramură concentrată în picăturile sărate înghețate, indicând înghețarea incompletă, ceea ce este diferită de înghețarea picăturilor de apă pură.

Pe baza măsurătorilor de temperatură, cercetătorii au conceput o metodă pentru a prezice durata de înghețare a picăturilor sărate. Ei au corelat aspectul unui film lichid deasupra picăturilor înghețate cu sfârșitul procesului de înghețare, oferind un indicator vizual pentru determinarea timpului de înghețare.

Simulările MD au fost apoi utilizate pentru a valida și completa rezultatele experimentale. oferind o perspectivă la nivel molecular, permițând cercetătorilor să înțeleagă mecanismele care stau la baza fenomenelor observate.

Simulările MD au urmărit să reproducă observațiile experimentale și să ofere perspective suplimentare asupra interacțiunilor moleculare care au loc în timpul înghețului picăturilor prin simularea comportamentului ionilor, moleculelor de apă și interfețelor de îngheț la scară nanometrică.

p>Cercetătorii au observat formarea unui strat de saramură deasupra picăturii înghețate. Acest strat previne formarea unui vârf ascuțit și menține o temperatură stabilă în picătură.

„După formarea peliculei de saramură, unele cristale de gheață încep să încolțească în partea de jos a peliculei, ceea ce este foarte similar cu procesul de germinare a semințelor. Acest fenomen de germinare a gheții m-a surprins, făcându-mă să simt că picăturile trăiesc și hrănesc o nouă viață", a spus dr. Chu.

Acest fenomen unic are ca rezultat perforarea. a filmului de saramură și creșterea ulterioară a cristalelor de gheață în aer.

Fenomenul de germinare a gheții este guvernat de condensarea interfacială pe filmul saturat de saramură în condiții de aer umed.

Cu alte cuvinte, deoarece temperatura peliculei de saramură este mai mică decât punctul de rouă al aerului înconjurător (temperatura la care aerul devine saturat cu vapori de apă), aceasta face ca vaporii de apă din aer să se condenseze la interfața peliculei de saramură.

Această apă condensată diluează filmul de saramură, perturbând echilibrul sau echilibrul acestuia. Ca o consecință a acestei diluții, pelicula de saramură devine suprasaturată cu sare, ceea ce duce la precipitarea cristalelor de gheață din interiorul peliculei. Cristalele de gheață care se formează în filmul de saramură cresc concentrația de sare a acestuia, resaturând astfel filmul de saramură la temperatura sa.

„Acest lucru sugerează că efectul umidității mediului nu poate fi ignorat atunci când se studiază tranziția de fază sau cristalizarea. proces de soluții”, a adăugat dr. Chu.

Pe lângă aceste două fenomene observate, cercetătorii au propus o definiție universală a duratei de înghețare pentru cuantificarea ratei de înghețare a picăturilor cu concentrații variate de sare. Acesta este un parametru important pentru evaluarea performanței suprafețelor și tehnologiilor antigivrare.

„Folosind definiția noastră a duratei de îngheț pentru picăturile sărate, cercetătorii pot fi capabili să evalueze cantitativ performanța metodelor lor antigivrare. împotriva picăturilor sărate. Acest lucru poate fi util pentru dezvoltarea tehnologiilor marine antigivrare”, a explicat dr. Chu.

Identificarea formării peliculei de saramură deasupra picăturilor înghețate oferă cercetătorilor o modalitate standardizată de a marchează sfârșitul procesului de înghețare, facilitând măsurarea și compararea comportamentului de înghețare a picăturilor.

Vorbind despre potențialele aplicații ale tehnologiilor antigivrare, dr. Chu menționează reducerea aderenței picăturilor de apă sărată înghețată.

„Pentru o picătură de apă sărată, întregul proces de înghețare se manifestă ca o creștere aleatorie a cristalelor de gheață și rămâne saramură concentrată în crăpăturile cristalelor de gheață.”

„Ca rezultat, aderența picăturilor de apă sărată înghețată nu depinde numai de zona de contact, ci se referă și la orientarea de creștere a dendritelor de gheață și distribuția saramură concentrată. Acestea pot fi controlate prin reglarea poziției locurilor de nucleare (formare inițială) pentru a obține o aderență scăzută a gheții”, a explicat dr. Chu.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)