Когда замерзает - нагревается: У льда нашли необычное свойство

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, подробно рассматривается движение отдельных молекул воды, осажденных на холодной поверхности графена. Исследовательская группа использовала метод, называемый спин-эхо гелия, впервые разработанный в Кембриджском университете, который включает в себя стрельбу пучком атомов гелия по молекулам воды, а затем отслеживание того, как эти атомы гелия рассеиваются, когда они врезаются в формирующийся лед.

Этот метод работает аналогично радар-детекторам, которые используют радиоволны для определения скорости движения автомобиля по шоссе, сказал первый автор Антон Тамтегль, научный сотрудник Института экспериментальной физики Технологического университета Граца в Австрии. "Это больше похоже на радар-ловушку для молекул в атомном масштабе".

Этот метод не только позволил исследователям собрать данные от каждого крошечного атома в своих экспериментах, но также помог им зафиксировать самую раннюю стадию образования льда, известную как "зародышеобразование", когда молекулы воды впервые начинают объединяться в лед. Зарождение происходит с ошеломляющей скоростью - в пределах доли миллиардной доли секунды - и в результате многие исследования образования льда сосредотачиваются на периоде времени сразу после зарождения, когда участки льда уже сформировались и начали сливаться. в своего рода толстую пленку, - сказал Тамтегл.

Например, исследования, основанные на использовании обычных микроскопов, не могут зафиксировать то, что происходит в начале зародышеобразования, потому что инструменты не способны делать снимки достаточно быстро, чтобы не отставать от быстрых молекул воды, сказал он. Ученые иногда замедляют это молекулярное движение, применяя жидкий азот в своих экспериментах, понижая температуру примерно до минус 250 градусов по Цельсию, но если вы хотите наблюдать замерзание льда при более высоких температурах, то вам нужно использовать это спин-эхо, - сказал Тамтегл. В своих собственных экспериментах команда охлаждала поверхность графена до температуры от 173 ° C до минус 143 ° C.

Но когда команда применила спин-эхо гелия к молекулам воды, нанесенным на графен, они обнаружили кое-что нелогичное.

"Что стало для нас сюрпризом, так это эта сигнал, который мы получили от отталкивающего взаимодействия - от того, что молекулы воды "не любили друг друга", - сказал Тамтегл. По сути, когда команда полила водой поверхность графена, молекулы сначала отталкивали друг друга, сохраняя определенное расстояние.

"Им пришлось как бы преодолеть этот барьер, прежде чем они смогли сформировать ледяные острова на поверхности графена", - сказал он. Чтобы лучше понять природу этой силы отталкивания и то, как молекулы преодолевают ее, команда создала вычислительные модели, чтобы отобразить взаимодействия молекул воды в различных конфигурациях.

Эти модели показали, что при помещении на холодный графен все молекулы воды ориентируются в одном направлении, причем два их атома водорода направлены вниз; атомы водорода в молекуле воды выступают от центрального атома кислорода. Эти молекулы воды несколько группируются вместе на поверхности графена, но из-за их ориентации между ними все еще остается пустое пространство на несколько молекул.

Чтобы соединиться в кристаллы льда, молекулы должны немного сблизиться друг с другом и вырваться из своей однородной ориентации. "Это то, что формирует этот барьер, зарождение которого требует затрат энергии", - сказал Тамтёгл.

Добавляя больше энергии в систему в виде тепла, команда обнаружила, что они могут подтолкнуть молекулы воды друг к другу и позволить им переориентировать и зародиться, в конечном итоге образуя лед. Добавление большего количества молекул воды в систему также помогло преодолеть энергетический барьер, поскольку система становилась все более и более тесной, а молекулы прилегали друг к другу, сказал Тамтегл.

Все эти взаимодействия происходят в невероятно короткие сроки, поэтому эта короткая борьба за преодоление энергетического барьера проходит в мгновение ока.

Тамтегл и его коллеги планируют изучить, происходит ли зарождение льда одинаковым образом на разных поверхностях. Например, так называемый «"белый графен", также известный как гексагональный нитрид бора, имеет аналогичную структуру с обычным графеном, но образует более прочные связи с молекулами воды, поэтому зародышеобразование может происходить медленнее на поверхности такого типа, сказал он.

В более широком смысле, изучение того, как именно формируется лед, будет полезно во многих научных приложениях. Например, обладая детальными знаниями о ледообразовании, ученые потенциально могут улучшить технологии, предназначенные для предотвращения обледенения авиационного оборудования, ветряных турбин и вышек связи, пишут авторы в своей статье. Лед появляется на частицах космической пыли и в атмосфере Земли, и, конечно, в ледниках; так что раскрытие мельчайших деталей физики льда может иметь далеко идущие последствия для исследований.

"Вода - такая вездесущая молекула, верно? Но, похоже, мы еще так много не понимаем в деталях, хотя это простая молекула", - сказал Тамтегл. "Еще многое предстоит узнать".

Напомним, ранее сообщалось, что ученые создали 3D-печать водой.

Источник