Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Лед в замерзающих каплях оказался похож на губку

Fuqiang Chu et al. / Physical Review Fluids, 2019

Китайские физики обнаружили, что лед в замерзающих каплях имеет пористую структуру, которая образуется из-за высвобождения пузырьков растворенного в воде газа. При этом размер капель, температура и свойства подложки практически не сказываются на протекании этого процесса. Кроме того, ученые построили теоретическую модель процесса. Статья опубликована в Physical Review Fluids, препринт работы ученые выложили на ResearchGate.net.

Во многих случаях намерзание льда является технической проблемой, от которой нужно избавиться. В частности, этот процесс сокращает урожай озимых, снижает подъемную силу обледеневшего самолета и ухудшает теплопередачу в обогревателях. В течение последних тридцати лет физики активно изучали процесс обледенения и в конце концов разработали несколько способов, которые должны снизить его скорость. Некоторые ученые покрывают поверхность узором наноструктур, другие снижают коэффициент прилипания льда, третьи заставляют намерзающие капли самим скатываться с поверхности.

Тем не менее, у этих исследований есть и общая черта: все они предполагали, что замерзающий лед является сплошной средой без дефектов. Но на практике это условие выполняется редко — как правило, в воде растворены газы, пузырьки которых высвобождаются при замерзании и захватываются льдом. Чтобы убедиться в этом, достаточно заморозить в холодильнике несколько кубиков льда. Несколько лет назад группа физиков под руководством Якко Снуэйера (Jacco Snoeijer) случайно обнаружила похожий процесс в каплях, в которые собирается вода, разлитая по плоской поверхности. Тем не менее, до сих пор ученые пренебрегали образованием пузырьков внутри таких капель (или просто его не замечали).

Группа ученых под руководством Дуншэн Веня (Dongsheng Wen) тщательно исследовала этот процесс и показала, что для всех капель он протекает по одинаковому сценарию, также исследователи разработали теоретическую модель процесса. Для этого физики проследили за замерзанием капель трех разных размеров (объемом один, два и четыре микролитра), помещенных на одну из трех поверхностей. Две поверхности были гидофобными, еще одна — гидрофильной; две поверхности были охлаждены до −20 градусов Цельсия, еще одна — до −15 градусов. Температура окружающего каплю воздуха составляла 20 градусов Цельсия, а относительная влажность менялась в пределах между 20 и 40 процентами.

В результате во всех опытах ученые пронаблюдали одну и ту же картину. Сначала капля переохлаждалась ниже точки замерзания воды. Затем в ней появлялось несколько центров, вокруг которых начинали быстро расти кристаллики льда. При этом растворенный в жидкости газ высвобождался и частично захватывался быстро растущим фронтом. Наконец, на последней стадии ледяной фронт сравнительно медленно распространялся по всему объему капли. Тем не менее, на этом этапе лед продолжал захватывать пузырьки, так что к концу замерзания капля равномерно заполнялась крошечными полостями диаметром порядка десяти микрометров. Вообще говоря, из-за неравновесности процесса вода становилась мутной, а потому измерить диаметр пузырьков и сразу проследить за их образованием было невозможно. Поэтому ученые выполняли необходимые измерения, медленно «прокручивая» процесс замерзания в обратную сторону, то есть размораживая каплю. Важно, что скорость всплытия пузырьков, рассчитанная с помощью законов Архимеда и Стокса, оказывалась меньше, чем скорость движения ледяного фронта; собственно, это и предопределяло их судьбу.

Интересно, что аналогические процессы также происходили в крошечных каплях конденсата, которые осаждались вокруг большой капли и в лучшем случае достигали 50 микрометров в диаметре. Кроме того, пузырьки формировались в очищенных от газа каплях. Этот факт ученые объясняют диффузией окружающего воздуха в небольшой объем капли, характерное время которой составляет чуть больше одной секунды.

Наконец, ученые разработали теоретическую модель процессов, сопровождающих замерзание переохлажденной капли. Для простоты физики пренебрегали испарением воды и растворенного газа, считали ледяной фронт плоским и горизонтальным, а пузырьки газа — несжимаемыми. В рамках этих приближений ученые составили дифференциальное уравнение, которое определяло скорость роста ледяного фронта и скорость образования пузырьков. В целом, зависимости, полученные с помощью интегрирования этого уравнения, совпали с результатами эксперимента.

Авторы статьи считают, что их работа — в основном, теоретическая модель, — поможет лучше понять процесс замерзания воды и разработать более эффективные системы антиобледенения. Кроме того, ученые удивляются, что до сих пор физики игнорировали пористую структуру капель.

Физики давно исследуют замерзание воды, однако до сих пор продолжают открывать что-то интересное. Например, в августе 2016 году французские исследователи обнаружили и теоретически описали три сценария, по которым растрескивается замерзающая капля воды, упавшая на холодную поверхность металла. В марте 2017 физики из Университета Твенте теоретически объяснили процессы, которые приводят к взрыву быстро замерзающих капель воды. А в июне этого года американские ученые разобрались с еще одним красивым процессом — замерзанием мыльного пузыря. Тогда ученые теоретически объяснили два сценария замерзания, в одном из которых шар постепенно замерзает снизу вверх, а во втором по поверхности шара кружатся снежные звездочки.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.