Физики Уральского федерального университета выяснили, как формируется узор ледяных дендритов — ветвящиеся кристаллы льда (морозные узоры на стеклах или снежинки) — на Земле и в космосе. Ученые обобщили накопленный опыт за последние десятилетия и проанализировали вместе все известные экспериментальные данные по росту ледяных кристаллов. Оказалось, что из-за конвекции (перенос тепла) и гравитации в земных условиях форма кристалла вырастает неидеальной, и снежинка получается ассиметричной. Расчеты и показатели ученые опубликовали в журнале Acta Materialia. Исследование поддержал Российский научный фонд (проект № 24-19-00566).
«Если говорить упрощенно, то мы опровергли распространенное представление о том, что форма снежинка описывается правильной геометрической фигурой. Исследование показало, что форма кончика дендритного кристалла спереди может описываться параболой, но в целом снежинка имеет сложную, негладкую и несимметричную форму», — рассказывает соавтор работы, ведущий научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.
Формировать идеальный рисунок мешают земные процессы, в частности, конвекция, которая влияет на форму кристалла и делает его неидеальным, то есть снежинка получается ассиметричная, показали расчеты. На то, какими будут кончики снежинок (с какой скоростью будут расти и с каким радиусом кривизны), зависит и степень переохлаждения воды. В условиях микрогравитации ледяные дендриты растут в практически неподвижной среде, что позволяет им формироваться более симметрично и предсказуемо, следуя только своим внутренним законам кристаллизации.
«Для описания устойчивого режима роста таких кристаллов мы применили геометрико-морфологическую теорию, метод граничных интегралов и критерий отбора. Это позволило нам определить скорость роста вершины дендрита и радиус кончика в базальной плоскости в зависимости от переохлаждения жидкости в ходе одного и того же эксперимента», — поясняет профессор кафедры теоретической и математической физики Дмитрий Александров.
Точно определить, как формируются ледяные узоры и как можно контролировать условия их роста, — это до сих пор вызов для ученых. Чтобы ответить на эти вопросы, физики должны решить такие задачи, как определение формы поверхности ледяных кристаллов, устойчивость режимов их роста, определение скорости и радиуса вершины в разных плоскостях, морфологическая устойчивость межфазной границы, образование вторичных ветвей, переход от начальной неустойчивой стадии роста к стационарной и многие другие условия.
Работа физиков УрФУ впервые обобщает и анализирует вместе все известные экспериментальные данные, включая полученные в условиях микрогравитации и в космосе. Как поясняют ученые, она дает новую, более точную, реалистичную, неидеализированную модель формы снежинки, что является шагом вперед по сравнению с упрощенными представлениями (как, к примеру, описывают снежинки существующие модели).
Модель физиков описывает фундаментальные природные процессы. Однако знание точной формы кристаллов и понимание механизмов роста дендритов будет полезно и промышленникам, которые, к примеру, смогут рассчитать, как затвердевают сплавы и какие дефекты образуются в процессе, что напрямую влияет на качество получаемых изделий, добавляют исследователи.
В планах ученых — расширить методологию на другие вещества и выяснить, как формируются кристаллы в различных материалах, а не только в воде.