Группа ученых представила уникальные результаты, полученные методом микрокомпьютерной томографии, которые впервые в четырех измерениях (3D + время) позволяют подробно наблюдать, как соленая вода превращается в лед и как при этом мигрирует раствор соли. Результаты исследования опубликован в Journal of Fluid Mechanics.
Эксперимент заключался в контролируемом замораживании узкой трубки с соленой водой. Отталкивание соли и рост кристаллов льда оказались куда более сложными и динамичными процессами, чем представлялось раньше. При появлении первых кристаллов льда рассол (жидкая соленая фаза) оказался захваченным в пористой структуре, которая быстро реорганизовывалась, образуя полосы и другие узоры в зависимости от градиента температуры и условий эксперимента.
Исследователи выделили три ключевых этапа в процессе замерзания:
- Нуклеация и быстрый рост льда (секунды): кристаллы формируются быстро, а тепло и соль еще не успевают существенно перемещаться;
- Глобальное тепловое равновесие: рассол вытесняется благодаря расширению при замерзании и конвективным движениям, особенно при направленном замораживании;
- Медленная диффузия: доминирует диффузионное перемещение рассола, который постепенно мигрирует к более теплому участку, а лед возле холодного слоя становится чище.
В ходе эксперимента наблюдалось множество морфологических форм рассола: полосы, столбики, «юбки» вокруг льда и отдельные карманы рассола, медленно движущиеся внутри структуры. Скорость миграции этих форм следовала определенному порядку: сначала наклонные полосы, затем вертикальные столбики, потом изолированные карманы и уж затем граница чистого льда.
Значение результатов исследования
Полученные данные показывают, что процесс удаления соли из льда не является простым и однородным. Вместо этого он включает быстрые перестройки, конвекцию и медленную диффузию, оставляя после себя устойчивые карманы солевого раствора. Эти результаты помогут лучше понять, почему природный морской лед становится относительно малосоленым, а также могут быть применены в опреснении морской воды, материаловедении и криогенных технологиях — бытовых (быстрая заморозка продуктов), научных (криоконсервация материалов) и промышленных.
Исследователи отметили, что наблюдаемая динамика солевого рассола открывает новую перспективу на давно изучаемые процессы замерзания, которые гораздо богаче по своей физике, чем считалось ранее.
Микроскопическое исключение соли не является ни однородным, ни монотонным; оно проходит через быстрые перестройки, конвективные движения и медленный диффузионный переносЖаохао Ву
Недавно ученые показали, что капли масла ведут себя в мыльной воде как живые клетки.