Вода окружает нас повсюду и существует во многих формах: снег, ледяная крупа, град, изморозь и так далее. Однако, несмотря на повсеместность воды, учёные до сих пор не до конца понимают основной 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 молекулярно-масштабных симуляций, чтобы выяснить, почему лёд легче образуется на поверхностях, чем в водоёмах.
Хотя общеизвестно, что вода замерзает при 0 °C (32 °F), она 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 вода–стекло и постепенно продвигается внутрь», — говорит Ганг Сун, ведущий автор исследования. «Таким образом, становится ясно, 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. В ходе симуляций учитывались многие физические параметры, такие как температура и сила межмолекулярного взаимодействия, но один из них оказался особенно неожиданным.
«Большинство людей предположили бы, 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 шестиугольной кристаллической решётки на поверхности, которая затем распространяется в объём».
При этом гидрофильность поверхности (сила, с которой она притягивает воду) остаётся ключевым фактором. Избыточная гидрофильность нарушает двухслойный шестиугольный порядок молекул воды, препятствуя нуклеации. Однако существует «зона Златовласки» для формирования льда, где взаимодействие поверхности 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 будет 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 повлиять на такие важные области, как климатология и производство полупроводников, где контроль над процессами нуклеации имеет социальное и экономическое значение.
Предоставлено: [Токийский университет](http://www.u-tokyo.ac.jp/)