Вода окружает нас повсюду и существует в разных формах: снег, дождь со снегом, град, иней и так далее. Однако, несмотря на повсеместность воды, учёные до сих пор не до конца понимают преобладающий физический процесс, который происходит при превращении воды из жидкого состояния в твёрдое.
В статье, опубликованной в журнале Journal of Colloid and Interface Science, исследователи из Института промышленных наук Токийского университета провели серию молекулярных симуляций, чтобы выяснить, почему лёд легче образуется на поверхностях, чем в водоёмах.
Всем известно, что вода замерзает при 0 °C (32 °F), но вода не мгновенно превращается в лёд при достижении этой температуры. Вместо этого кристаллы льда начинают формироваться в крошечных «ядрах» и распространяются по всему объёму воды в процессе, называемом нуклеацией. Более низкие температуры способствуют нуклеации и, следовательно, ускоряют процесс замерзания. Однако на микроскопическом уровне могут играть роль и другие факторы.
«Если вы понаблюдаете за тем, как замерзает стакан воды, вы заметите, что лёд сначала образуется на границе воды и стекла, а затем постепенно продвигается внутрь», — говорит Ганг Сун, ведущий автор исследования. «Таким образом, очевидно, что взаимодействие молекул воды с поверхностями имеет важное значение для процесса нуклеации».
Чтобы понять микроскопические эффекты, ответственные за формирование льда, команда использовала сложные современные методы молекулярной динамики. Симуляции учитывали множество физических параметров, таких как температура и сила межмолекулярного взаимодействия, но один из них оказался особенно неожиданным.
«Большинство людей предполагают, что сродство поверхности к льду определяет путь нуклеации», — объясняет Хадзиме Танака, старший автор. «Однако наши симуляции показывают, что расположение молекул воды в двух слоях, наиболее близких к поверхности, даже более важно. Эта структурированная слоистость способствует формированию низкоразмерной гексагональной кристаллической решётки на поверхности, которая затем распространяется в объём».
При этом гидрофильность поверхности (сила, с которой она притягивает воду) остаётся ключевым фактором. Чрезмерная гидрофильность нарушает двухслойный гексагональный порядок молекул воды, препятствуя нуклеации. Однако существует «зона Златовласки» для формирования льда, где взаимодействие с поверхностью не слишком сильное и не слишком слабое, чтобы мешать кристаллизации.
Эти знания дают исследователям инструмент, с помощью которого они потенциально могут контролировать формирование льда, что было бы полезно для создания антиобледенительных покрытий и других материалов. Предложенный механизм может применяться и к другим жидкостям с тетраэдрической связью, таким как кремний и углерод.
Это может найти применение в таких важных областях, как климатология и производство полупроводников, где контроль за событиями нуклеации имеет социальное и экономическое значение.
Предоставлено: [Университет Токио](https://phys.org/partners/university-of-tokyo/)