Несмотря на то что вода практически всегда у нас на виду, процесс ее кристаллизации все еще загадочен. Известно примерно два десятка структурных разновидностей льда. Из них только одна — лед-I — образуется при обычных для Земли условиях. Японские физики выяснили, что образование льда у поверхности жидкой воды может начаться с крошечного прекурсора со структурой, похожей на «нулевой» лед.
Одно из удивительных свойств воды — способность переохлаждаться без кристаллизации. В чистом состоянии ее можно охладить до минус 40 градусов, и она останется жидкой. Такое наблюдается в атмосферных облаках.
В 2014 году профессор Хадзимэ Танака и Джон Руссо из Института прикладных наук Токийского университета в Японии выяснили, что переохлажденная вода не может превратиться в лед-I из-за необычного расположения молекул, непохожего на то, что наблюдается в обычном жидком состоянии. А вот структура льда-0 и переохлажденной воды, напротив, схожи, поэтому он может стать предшественником перехода в лед-I.
В новой научной работе Танака с коллегами 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.
Кристаллизация воды, иначе называемая зарождением ледяных ядер, происходит на твердой поверхности. Например, в емкости, где жидкость встречается со стенкой. Теперь выясняется, что ледяные ядра могут появляться прямо под поверхностью — там, где вода соприкасается с воздухом. Это небольшие зародыши кристаллов, похожие на округлые структуры «нулевого» льда.
«Моделирование показало, что капли воды легче кристаллизуются около свободной поверхности при изотермических условиях (при постоянной температуре. — Прим. ред.). Это ставит точку в длительном споре о том, где зарождается кристаллизация — на поверхности или изнутри», — заявил первый автор статьи Ганг Сан.
Появление льда-0 облегчает кристаллизацию переохлажденной воды. Крошечные прекурсоры «нулевого» льда возникают спонтанно, как результат отрицательного давления, вызванного поверхностным натяжением воды. Как только кристаллизация из зародышей началась, лед-0 быстро меняет структуру на ту, что более напоминает лед-I.
По словам руководителя исследования Танаки, это открытие будет полезно во многих областях, включая климатологию и агрономию, где кристаллизация воды играет критическую роль. Кроме того, это важно для метеорологии, которая изучает образование атмосферных облаков, а также техники, например, кондиционирования воздуха.