Льдинка самостоятельно притянулась к капле воды

Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano, 2021

Американские физики объяснили притягивание льдинки к воде — все дело оказалось в переносе заряда из-за температурного градиента в льдинке. За несколько миллисекунд отрицательно заряженная льдинка преодолевала расстояние в 5 миллиметров с максимальной скоростью в 0,9 метра в секунду. Результаты исследования, опубликованные в журнале American Chemical Society Nano, помогут описать образование молний и развить электростатическое удаление льда.

Если поднести заряженный предмет (например, расческу после причесывания) к струе воды, то она отклонится. Так проявляется дипольная природа молекул воды, которые стремятся выстроиться вдоль электрического поля. Даже если столкнуть или потереть льдинки друг с другом — из-за контактной разности потенциалов на каждой из них появится заряд. Продувание обледеневших поверхностей потоком воздуха или приложение внешнего электрического поля позволило наблюдать заряженные льдинки микрометрового размера.

Ранит Мукхержи (Ranit Mukherjee) с коллегами из Политехнического университета Вирджинии обнаружил, что из-за электростатики могут отрываться и льдинки большего размера и в отсутствии потока воздуха или внешнего электрического поля. Для этого исследователи подносили к обледеневшей поверхности каплю или пленку воды. Процесс скачка льдинок ученые запечатлели с помощью высокоскоростной съемки.

Для эксперимента авторы охлаждали гидрофобную кремниевую подложку до −10 градусов по Цельсию с помощью элемента Пельтье, при этом температура окружающего воздуха была 25 градусов, а относительная влажность — 40 процентов. Чтобы выдерживать пленку воды над поверхностью, ученые использовали фильтровальную бумагу, расположенную на расстоянии в один, два с половиной и пять миллиметров от подложки.

Для начала наблюдения ученые дожидались, пока на подложке не вырастет слой льда в 120-800 микрометров, после чего 100 микролитров воды помещали на фильтровальную бумагу. Приблизительно через десять секунд частицы начинали открепляться от подложки или других льдинок и улетать в сторону воды с начальным ускорением, в десять раз превышающим гравитационное, и за миллисекунды льдинка достигала водной пленки.


Чтобы понять, как на этот процесс влияет подложка, исследователи провели эксперимент с гидрофильным стеклом и супергидрофильной поверхностью гидроксида алюминия. Вне зависимости от смачиваемости, тепло- и электропроводности процесс наблюдался во всех случаях.

Затем ученые рассмотрели динамику прыжка льдинки. Максимально зафиксированная скорость льдинки — 0,9 метров в секунду. Приняв для силы сопротивления частицу в качестве сферической, исследователи рассчитали притягивающую силу — она составила 10-10 — 10-9 ньютон. Авторы предположили, что эта сила — электростатическая по своей природе. Чтобы это подтвердить, они меняли жидкость на фильтровальной бумаге. Для полярных воды, ацетона и этиленгликоля эффект в полной мере наблюдался, а для неполярных углеводородов декана и гексадекана не наблюдался, как и при отсутствии жидкости.


В льдинке с температурным градиентом в теплом конце больше ионных дефектов, в воде основные ионы — гидроксил OH- и гидроксоний H3O+. Коэффициент диффузии гидроксония в 3,3 раза больше, а потому эти ионы быстрее распространятся в холодный конец, оставляя теплый конец отрицательно заряженным. Если же поддерживать температуру одинаковой, то никаких скачков льдинок наблюдаться не будет. С помощью модели Латама и Мэйсона авторам удалось оценить плотность поверхностного заряда: −100 нанокулон на квадратный метр. Также ученые провели численное моделирование переноса заряда внутри льдинок. Через 0,1 секунды после приложения градиента температур плотность заряда выходила на насыщение близкое к рассчитанному.


Для уточнения механизма отрыва льдинок от поверхности ученые рассмотрели два варианта: разрыв точечного контакта (менее одного микрометра) и разворот с разрывом контакта по площади (более десяти микрометров). Из условия Гриффитса для инициации разрыва исследователи нашли начальный размер разрыва — 0,1 нанометра. Для субмикрометровых частиц время разрыва составило 100 микросекунд — что совпадает с минимальным время-разрешением камеры — а потому разрыв выглядит мгновенным. В случае же крупных частиц требуются уже миллисекунды, что и удалось заснять в виде разворотов и кручения льдинок.

Таким образом, авторы объяснили, почему льдинки притягиваются к воде, что поможет разработать электростатический способ противодействия образованию наледи. Однако вместо воды советуют использовать электроды высокого напряжения для удаления льда с размерами больше микронных.

Изучение льда и его свойств тесно связано с окружающим бытом. Не так давно физики объяснили, почему при приближении к температуре плавления лед становится менее скользким. Оказалось, все дело в резкой потере твердости льда, из-за чего скользящий предмет бороздил его и нарушал целостность, застревая в глубоких трещинах.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.