"Ледяной холод" только что стал еще холоднее: создав лед из крошечных капелек размером всего в несколько сотен молекул, исследователи понизили температуру замерзания воды ниже, чем когда-либо прежде, и изменили то, что мы знаем о том, как образуется лед.
Знание того, как и почему вода превращается в лед, имеет важное значение для понимания широкого спектра природных процессов. Колебания климата, динамика облачности и круговорот воды - все это зависит от превращения воды в лед, как и животные, живущие в условиях замерзания.
Древесные лягушки, например, переживают зиму на суше, позволяя своим телам замерзать. Это позволяет им выходить из спячки быстрее, чем видам, которые проводят зиму глубоко под водой, не замерзая. Но кристаллы льда могут разрывать клеточные мембраны, поэтому животным, использующим эту технику, необходимо найти способ предотвратить образование льда в их клетках и тканях. Лучшее понимание того, как замерзает вода, может привести к лучшему пониманию этих экстремальных видов.
Хотя эмпирическое правило гласит, что вода замерзает при температуре 32 градуса по Фаренгейту (0 градусов Цельсия), при определенных условиях вода может фактически оставаться жидкой в диапазоне низких температур. До сих пор считалось, что этот диапазон останавливается на минус 36 градусах по Фаренгейту (минус 38 градусов по Цельсию); любое значение ниже этого, и вода должна замерзнуть. Но в исследовании, опубликованном 30 ноября в журнале Nature Communications, исследователям удалось сохранить капли воды в жидком состоянии при температурах до минус 47,2 градуса по Фаренгейту (минус 44 градуса по Цельсию).
Было два ключа к их прорыву: очень маленькие капли и очень мягкая поверхность. Они начали с капель размером от 150 нанометров, чуть больше частицы вируса гриппа, до 2 нанометров, скопления всего из 275 молекул воды. Этот диапазон размеров капель помог исследователям раскрыть роль размера в превращении воды в лед.
"Мы охватили все эти диапазоны, чтобы понять, при каких условиях будет образовываться лед — какая температура, какой размер капель", - сказал в интервью Live Science соавтор исследования Хади Касеми, профессор машиностроения в Университете Хьюстона. "И что еще более важно, мы обнаружили, что если капли воды покрыты некоторыми мягкими материалами, температура замерзания может быть снижена до действительно низкой температуры".
Мягким материалом, который они использовали, был октан, масло, которое окружало каждую каплю в нано размерных порах мембраны из анодированного оксида алюминия. Это позволило каплям принять более округлую форму при большем давлении, что, по словам исследователей, необходимо для предотвращения образования льда при таких низких температурах.
Поскольку в принципе невозможно наблюдать процесс замерзания в таких малых масштабах, исследователи использовали показатели электропроводности — поскольку лед более проводящий, чем вода, — и свет, излучаемый в инфракрасном спектре, чтобы уловить точный момент и температуру, при которых капли превращались из воды в лед.
Они обнаружили, что чем меньше капля, тем холоднее она должна быть для образования льда — а для капель размером 10 нанометров и меньше скорость образования льда резко снизилась. В мельчайших капельках, которые они измерили, лед не образовывался до тех пор, пока вода не достигла температуры минус 44°C.
Означает ли это, что микроскопические капли в облаках и биологических клетках могут стать еще холоднее, чем мы думали? "Как ученый, я бы сказал, что мы еще не знаем", - сказал Касеми.
Но это открытие может иметь большое значение для предотвращения образования льда на материалах, созданных человеком, например, в авиации и энергетических системах, сказал Гасеми. Если воде на мягких поверхностях требуется больше времени для замерзания, инженеры могли бы включить в свои конструкции смесь мягких и твердых материалов, чтобы предотвратить образование льда на этих поверхностях.
"Существует так много способов использовать эти знания для проектирования поверхностей, чтобы избежать образования льда", - сказал Гасеми. "Как только мы получим это фундаментальное понимание, следующим шагом будет просто разработка этих поверхностей на основе мягких материалов".
P/S " Это перевод с Space с максимальным сохранением смысла публикации .
Подписывайтесь на канал, ставьте лайки
