(Статья недели. «ХиЖ» 2023 №3)
Всем известны великолепные исследования группы доцента Ху из Технологического университета Джорджии, которые удостоены вполне заслуженного успеха. За установление универсальных констант живого, а именно времени дефекации и деуринации, ему дважды присудили Игнобелевскую премию (см. статью «Механика мягкой силы»). А вот работа профессора нелинейной экспериментальной физики Стивена Морриса (Stephen W. Morris) с кафедры физики университета Торонто прошла мимо внимания жюри этой престижной награды. И зря: вот уже более 20 лет он самоотверженно изучает механику образования сосулек и по ходу дела уничтожил не одну теорию, которая пыталась объять необъятное, то есть объяснить все тайны этих на первый взгляд простейших природных объектов.
В самом деле, ну что может быть таинственного в сосульке? Переохлажденная жидкость льется и замерзает, льется и замерзает. Вот и растет сосулька слой за слоем, поддерживая свою форму неизменной. Ну а если вмещается ветер, колебание температуры или еще что, фронт кристаллизации проявит неустойчивость и на нем возникнет выступ или впадина, в общем, на сосульке вырастет ребро.
Так думали сосульковеды совсем недавно, до того, как профессор Стивен Моррис встал на тропу войны с тайнами сосульки. В 2010 году он совместно с Энтони Сыхань Чженом построил установку для выращивания сосулек. В сущности, это был морозильник, на стенки которого установили вентиляторы от компьютера, а в потолке смонтировали привод, вращающий деревянный клинышек, куда подается холодная вода. И тут-то выяснилось, сколь далеки легкомысленные фантазии теоретиков от правды жизни сурового эксперимента.
Прежде всего оказалось, что именно ветер обеспечивает сосульке самоподобную форму. Если ветра нет, то есть вентиляторы выключены, то энтропия разыгрывается не на шутку, порядок нарушается, сосулька либо загибается, либо вовсе ее конец раздваивается, растраивается и делает это с вероятностью 80% (фото 1). А если вентилятор включен, то сосулька растет правильно в 70% случаев.
Однако это не все. Оказалось, что нестабильность фронта, которая должна порождать ребра на сосульке, вступает в игру, только если использовать воду из-под крана. А если брать дистиллированную, то никакой тебе энтропии, никакого нарушения порядка: сосулька растет как по струнке (фото 2). Авторы разместили статью о своем исследовании на сайте препринтов arxiv.org.
Почему так? На поиски ответа ушло три года непрерывных трудов, и вот он, результат, опубликованный в научном журнале New Journal of Physics. Исследователи рассуждали логически. Чем отличается дистиллированная вода от водопроводной? Наличием загрязнителей, прежде всего ионов солей, а также газов, поверхностно-активных веществ. Более того, на роль газов недвусмысленно указывает факт мутности «водопроводных» сосулек. Увы, опыт с растворением газа в дистиллированной воде к успеху не привел, как не помогло и введение поверхностно-активных веществ, которые должны были облегчить развитие неоднородностей на фронте кристаллизации. Остались только соли. И эта идея сработала! Добавка в дистиллированную воду ничтожного количества поваренной соли, всего тысячной доли весового процента, сразу вызвала формирование отлично видимых ребер. А десятая доля процента вообще дала какого-то уродца (фото 3).
Впрочем, изучение динамики роста ребер показало, что она, эта динамика, зависит лишь от факта наличия соли, а вот концентрация, что удивительно, не влияет почти никак: есть соль — есть ребра, нет соли — сосулька выходит гладкой. Поразительной константой сосульки оказалось расстояние между ребрами: оно тоже никак не зависит от содержания соли и в среднем составляет 10 мм, отклоняясь от этого значения лишь на десятые доли. Так, разгадав одну загадку, исследователи получили несколько новых. В принципе, это путь настоящей науки: найденное решение дает новое поле для работы.
Профессор Моррис засучил рукава повыше и стал готовить новый эксперимент, на сей раз взяв в помощники следующего аспиранта, Джона Ладана. Целью было детально рассмотреть, как же идет развитие сосульки. Для этого вместо соли в воду добавили флюоресцентный краситель. Законченная в 2021 году работа показала, что текущая по сосульке вода постоянно меняет свое русло и скорость движения, а дольше всего задерживается как раз на ребрах, которые служат для нее своеобразными порогами.
После этого эксперимент усложнили: сосульку замораживали при 25 градусах мороза, а затем ее оплавляли с двух сторон, пока не превращали в пластинку толщиной 3 мм. Эту пластину клали под микроскоп, освещали ультрафиолетом, чтобы вызвать свечение, и наблюдали удивительную картину (фото 4): сосулька оказалась подобна одновременно перу птицы и стволу дерева!
Как у пера от ости отходят составляющие опахало бородки, так и у сосульки от центрального стержня отходят некие полосатые образования, которые формируют пресловутые ребра. А полоски образованы светящейся жидкостью.
Суть эффекта такова. Протекающая по сосульке жидкость, содержащая краситель, начинает затвердевать, становится льдом. Водяной лед никаких примесей не терпит, он с ними твердый раствор не образует, а оттесняет в жидкость, сам же остается чистым. На ребре, как показали предыдущие опыты, жидкости больше, а в межреберной впадине меньше. Значит, лед во впадине формируется быстрее и запирает жидкость в ловушке на ребре. Лед еще нарастет, оттесняя все больше красителя в жидкость, и та никак не сможет затвердеть. Ведь краситель специально подобран так, чтобы моделировать действие поваренной соли, а по мере роста содержания соли в воде температура затвердевания падает вплоть до 21 с лишним градуса мороза. Опыт же проводили при 14 градусах.
Так был поставлен крест еще на одной фантазии теоретиков: они-то считали, что сосулька мутнеет из-за того, что при кристаллизации лед захватывает пузырьки воздуха. А выходит, что это результат чередования полосок чистого льда и насыщенного рассола.
Кто-то скажет: какое-то никому не нужное умствование, и будет неправ. Во-первых, не устанем повторять, что истинное призвание науки — не служить производительной силой общества, а раскрывать тайны природы. А во-вторых, проблема сосулек отнюдь не надуманна. Она волнует многих инженеров и прежде всего тех, кто отвечает за безопасность электросетей.
Сосульки, растущие на изоляторе, не только угрожают порвать электрические провода. Они еще и понижают его сопротивление пробою, более того, ток начинает течь по сосульке, поле концентрируется в ее остром конце, и изолятор порождает огни святого Эльма, то есть начинает искрить. А это потери электричества. Понимание механики роста сосульки может помочь борьбе с таким явлением. Много проблем сосульки доставляют коммунальщикам, летчикам, морякам.
Из работы профессора Морриса и его коллег, между прочим, следует интересный механизм саморазрушения сосулек. Любому материаловеду известно, что система из чередующихся пластин термодинамически неустойчива, она всегда стремится стать монолитом, в котором распределены не мелкие пластинки, а большие глобулы, шары: так сокращается площадь поверхности и связанная с ней энергия. Получается, что, как только пригреет солнце, в сосульке пойдет внутреннее таяние, объединение прослоек рассола в крупные образования и истончение ледяных стенок. Результат: сосулька внезапно отрывается под собственным весом, хотя ничто не предвещало этого. Впрочем, в работах Морриса такого вывода нет, он занят чистой наукой.
Интересно, что в феврале 2023 года группа исследователей Амстердамского университета во главе с Менно Деммени (Menno Demmenie) неплохо повторила опыты профессора Морриса десятилетней давности и еще раз установила, что ребра на сосульках появляются-таки из-за наличия в воде примесей соли. Новость с радостью разнесли всевозможные сетевые СМИ, даже не подозревая, что она устарела лет на десять. Наверное, в нынешней науке, построенной на правилах, это называется «проверка результатов независимой исследовательской группой».
А. Мотыляев
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»