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

В падающей на переохлажденную поверхность капле увидели волны замерзания

University of Twente

Ученые впервые напрямую запечатлели динамику замерзания капли жидкости при соударении с намного более холодной поверхностью. Оказалось, что в таком случае может наблюдаться не привычный рост кристаллов, а расширяющиеся концентрические ледяные фронты. Результаты могут пригодиться в ряде областей, в том числе в 3D-печати и при разработке методов защиты самолетов от обледенения, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Во многих ситуациях на протекание физических явлений оказывает влияние сразу несколько процессов. В таких случаях возможно возникновение феноменов, которые не наблюдаются при изучении более простых задач. Например, равновесная термодинамика используется для исследования процессов, допускающих квазистатическое описание, то есть представимых в виде непрерывного ряда плавно перетекающих друг в друга состояний термодинамического равновесия. Некоторые реальные процессы достаточно слабо отклоняются от этой идеальной схемы, поэтому их анализ классической термодинамикой хорошо согласуется с измерениями, однако в других случаях отклонения приводят к расхождению простейшей теории с экспериментом.

К подобным ситуациям относится и замерзание жидкостей. Простейший случай — это постепенное образование кристаллов льда внутри покоящейся капли. Однако если задачу усложнить, например, добавив ветер или большой градиент температур, то как динамика процесса, так и конечное состояние могут значительно измениться.

Физики из Нидерландов и Германии под руководством Детлефа Лосе (Detlef Lohse) из Университета Твенте изучили замерзание капли гексадекана (температура плавления +18 градусов Цельсия) в сильно неравновесном случае падения на переохлажденную поверхность. Оказалось, что при температуре поверхности на 11 и более градусов ниже точки плавления внутри капли начинают последовательно двигаться несколько волн фазового перехода. Авторам удалось описать это явление при помощи комбинации теории образования зародышей кристаллизации и гидродинамики всей капли, которые редко рассматриваются одновременно.

Мотивацией к проведению подобного исследования стало широкое распространение подобного режима кристаллизации в природе и технике: падающий на холодную поверхность дождь, застывание краски струйного принтера, некоторые виды 3D-печати, а также фотолитография в глубоком ультрафиолете, в которой применяются капли расплавленного олова. Многие работы рассматривали механику деформаций и растекания капли в таком режиме, но влияние на фазовые переходы исследовано недостаточно подробно.

Для фиксации процесса авторы воспользовались эффектом полного внутреннего отражения, который заключается в высоком коэффициенте отражения от границы раздела со средой с меньшим коэффициентом преломления при угле падения луча близком к прямому. В данном случае применялся красный лазер, а обработка отраженного сигнала позволяла выяснить с высоким временным и пространственным разрешением динамику в капле на толщине эванесцентной волны (порядка 100 нанометров).

Физики выяснили, что результаты зависят от степени переохлажденности сапфировой поверхности. Если ее температура не очень низка, то пузырек воздуха, прижатый каплей к поверхности, спустя небольшое время поднимается в жидкости. Если же разность температур достаточна, то пузырек остается в контакте с поверхностью и играет роль дефекта, который усиливает радиальные движения возникающих в капле центров кристаллизации, которые перемещаются в виде несколько последовательных волн.

Ранее физики разобрались в замерзании мыльных пузырей, объяснили взрыв замерзающих капель, а также предположили причину сохранения веществ в жидкой форме на Плутоне — за это может быть ответственнен газированный лед.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.