Лёд-0: учёные поняли дополнительный механизм замерзания воды

Специалисты из Токийского университета обнаружили, что лёд начинает формироваться у водной поверхности через образования, подобные редкому, недавно открытому типу льда.


Лёд куда сложнее, чем многие думают. Физики знают более 20 его разновидностей, которые формируются в зависимости от сочетаний «давление + температура». Вид льда, который мы используем на кухне, известен как лёд-I, и это одна из немногих форм затвердевшей воды, существующих в естественных условиях на нашей планете.

Учёные из Японии выявили необычную форму — лёд-0, и она участвует в возникновении кристаллов в переохлаждённой воде. Зарождение льда у её поверхности может начинаться с крошечных кристалликов-предшественников со структурой, подобной редкому типу льда. Его-то и решили обозначать как лёд-0.

Учёные из Токио доказали, что структуры, подобные льду-0, могут вызывать замерзание капли у её поверхности, а не в сердцевине. Совершённое ими открытие разрешает давнюю загадку фазового перехода из одного состояния вещества в другое и должно повлиять на наше понимание того, как образуется лёд.

Кстати, кристаллизацию льда ещё называют зародышеобразованием. И происходит она обычно гетерогенно, то есть вблизи твёрдой поверхности. Обычно ожидается, что это случится наверху ёмкости с водой, где жидкость встречается со стенками.

Новое же исследование поведало, что кристаллизация также бывает прямо под поверхностью воды, которая соприкасается с воздухом. В таком случае лёд способен зарождаться вокруг крошечных кристаллических предшественников с той же специфической кольцеобразной структурой, что и лёд-0.

Компьютерное моделирование подтвердило, что капля с большей вероятностью начинает затвердевать вблизи свободной поверхности при изотермических условиях, то есть при постоянной температуре, объяснил ведущий автор исследования Ган Сан. Это разрешает давние споры о том, где легче происходит кристаллизация — на поверхности или внутри жидкости.

Предшественники (зародыши) льда-0 имеют структуру, очень похожую на переохлаждённую воду, что позволяет молекулам воды легче кристаллизоваться из неё, без необходимости непосредственно формировать структуру обычного льда.

Крошечные предшественники льда-0 образуются спонтанно в результате воздействия отрицательного давления, вызванного поверхностным натяжением воды. Как только из этих предшественников начинается кристаллизация, структуры, подобные льду-0, быстро перестраиваются в более распространённый на планете лёд-I.

Старший автор описываемого изучения льда Хадзиме Танака подчеркнул широкомасштабные последствия обретённых знаний. Ожидается, что выводы о механизме поверхностной кристаллизации воды внесут значительный вклад в различные области, включая исследования климата и науку о продуктах питания, где кристаллизация воды играет решающую роль.

Более детальное понимание природы льда может иметь бесценное значение для различных исследований. Научная работа способна помочь, например, развитию метеорологии, где образование льда с помощью предшественников, подобных льду-0, может оказывать гораздо более заметное влияние на мелкие капли воды, подобные тем, что находятся в облаках. Понимание природы льда может принести пользу и в технологиях — от пищевой промышленности до кондиционирования воздуха.