Naukowcy biją rekord temperatury, aby utrzymać zimną wodę w postaci płynnej

Naukowcy właśnie udowodnili, że temperatura zamarzającej wody może być niższa, niż sądziliśmy, że jest to możliwe.

Pobierając maleńkie kropelki wody o wielkości zaledwie 150 nanometrów, zespół inżynierów z University of Houston obniżył krytyczny próg temperatury do -44 stopni Celsjusza (-47,2 stopnia Fahrenheita) – i, co najwidoczniej, dokładnie go zmierzył.

To nie tylko fajna rzecz, którą można się chwalić na imprezach inżynierskich, ale może teraz pomóc nam lepiej zrozumieć, jak zamarza woda, co ma wpływ na szereg dziedzin naukowych, od meteorologii po kriokonserwację.

„Eksperymentalne badanie temperatury zamarzania kilku nanometrowych kropel wody było nierozwiązanym wyzwaniem” inżynier mechanik Hadi Qassemi mówi Z Uniwersytetu w Houston w Teksasie.

„Tutaj, dzięki nowo opracowanej metrologii, byliśmy w stanie zbadać zamarzanie kropelek wody od skali mikronów do 2 nanometrów”.

Większość z nas niewiele myśli o wodzie, ponieważ jest ona wszechobecna i niezbędna dla naszego istnienia. Ale plotka H₂O jest właściwie bardzo dziwne. Nie zachowuje się jak żaden inny płyn. Nawet sposób, w jaki zamarza, jest dziwny: gdy inne ciecze zwiększają gęstość w miarę ochładzania, woda w rzeczywistości staje się mniej gęsta, gdy zamarza.

Zachowanie wody zostało dość dobrze scharakteryzowane i zbadane. Wiemy na przykład, że ma tendencję do zarodkowania lub tworzenia kryształków lodu w różnych temperaturach, czasami wytrzymując proces do -38 ° C. Wszystko chłodniejsze, nawet twardsze cząsteczki wody, skleją się jak śnieg.

Qasemi i współpracownicy obniżyli temperaturę, umieszczając nanokropelki wody na miękkiej powierzchni, takiej jak żel lub lipid. Następnie zbadali kropelki miernikami oporności elektrycznej i Przetwornik podczerwieni Fouriera Aby zmierzyć jego temperaturę podczas zamrażania.

Gładka granica między powierzchnią a małą kroplą wydaje się odgrywać rolę w tłumieniu zarodkowania lodu, prawdopodobnie ze względu na sposób, w jaki ta granica generuje znaczne naprężenia na kroplę.

Dzieje się tak, ponieważ temperatura zamarzania wody spada wraz ze wzrostem ciśnienia otoczenia. Najbardziej oczywisty efekt obserwuje się w kropli wody o średnicy zaledwie 2 nm.

„Odkryliśmy, że jeśli kropla wody wejdzie w kontakt z miękkim interfejsem, temperatura zamarzania może być znacznie niższa niż na twardych powierzchniach”. Qasemi wyjaśnia.

„Ponadto kropla wody o wielkości kilku nanometrów może uniknąć zamarznięcia do -44 stopni Celsjusza, jeśli wejdzie w kontakt z miękką powierzchnią”.

Sposób, w jaki małe kropelki wody zamarzają, jest bardzo ważny dla kriokonserwacji, ponieważ zamrażanie małych kropelek wewnątrz komórek może spowodować ich pęknięcie i śmierć. Dowiedzenie się, jak spowolnić lub zatrzymać ten proces, może pomóc naukowcom znaleźć sposoby na złagodzenie tego efektu.

Pomoże nam to również lepiej zrozumieć, w jaki sposób zachodzi zarodkowanie w atmosferze, gdzie zamarzają mikroskopijne kropelki wody. Naukowcy twierdzą, że może to również pomóc nam ulepszyć projektowanie technologii narażonych na lód, takich jak samoloty i turbiny wiatrowe.

„Wyniki są zgodne z przewidywaniami klasycznej teorii zarodkowania. To zrozumienie przyczynia się do poszerzenia wiedzy na temat zjawisk naturalnych i racjonalnego projektowania systemów przeciwoblodzeniowych w lotnictwie, energetyce wiatrowej, infrastrukturze, a nawet w systemach kriokonserwacji” Piszą na swoich papierach.

„Wyniki zapewniają zrozumienie różnych zjawisk naturalnych i umożliwiają zaprojektowanie biomimetycznych powierzchni ultrazamarzających lub gładkich, wypełnionych płynem”.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w Komunikacja przyrodnicza.