Введение
Никто не может управлять погодой, но можно искусственно вызвать дождь или снег, воздействуя на определённые облака. Этот процесс, известный как засеивание облаков, обычно включает в себя рассеивание небольших частиц йодида серебра с самолётов в облака. Частицы действуют как зародыши, на которых накапливаются молекулы воды, образуя кристаллы льда, которые растут и в конечном итоге становятся достаточно тяжёлыми, чтобы упасть на землю в виде дождя или снега.
Микроскопические детали процесса
До сих пор микроскопические детали этого процесса оставались неясными. Используя высокоразрешающую микроскопию и компьютерное моделирование, исследователи из Технического университета Вены (TU Wien) изучили, как йодид серебра взаимодействует с водой на атомном уровне.
Результаты исследования
Их выводы, опубликованные в журнале Science Advances, показывают, что йодид серебра представляет две принципиально разные поверхности, но только одна из них способствует зарождению льда.
«Йодид серебра образует гексагональные структуры с той же шестикратной симметрией, которая знакома нам по снежинкам», — говорит Ян Балайка из Института прикладной физики TU Wien, возглавлявший исследование. «Расстояния между атомами также близко соответствуют расстояниям в кристаллах льда. Долгое время считалось, что структурное сходство объясняет, почему йодид серебра является таким эффективным зародышем для формирования льда. Однако более детальное изучение показало более сложный механизм».
Атомная структура поверхности
Атомная структура поверхности, где происходит зарождение льда, отличается от структуры внутри кристалла. Когда кристалл йодида серебра расщепляется, атомы серебра образуют одну сторону, а атомы йода — другую.
«Мы обнаружили, что поверхности, оканчивающиеся серебром и йодом, перестраиваются, но совершенно разными способами», — говорит Йоханна Хютнер, проводившая эксперименты.
Поверхность, оканчивающаяся серебром, сохраняет гексагональное расположение, которое обеспечивает идеальный шаблон для роста слоя льда, тогда как поверхность, оканчивающаяся йодом, перестраивается в прямоугольную структуру, которая больше не соответствует шестикратной симметрии кристаллов льда.
«Только поверхность, оканчивающаяся серебром, способствует эффекту зарождения», — объясняет Балайка. «Способность йодида серебра вызывать образование льда в облаках не может быть объяснена исключительно его объёмной кристаллической структурой. Решающим фактором является перестройка на атомном уровне на поверхности, эффект, который до сих пор полностью упускался из виду».
Методы исследования
Команда TU Wien исследовала эти эффекты, используя два взаимодополняющих подхода. Во-первых, были проведены эксперименты в условиях сверхвысокого вакуума и при очень низких температурах. Водяной пар осаждался на небольшие кристаллы йодида серебра, а полученные структуры исследовались с помощью высокоразрешающей атомно-силовой микроскопии.
«Одной из задач было то, что все эксперименты должны были проводиться в полной темноте», — объясняет Йоханна Хютнер. «Йодид серебра очень чувствителен к свету, свойство, которое когда-то делало его полезным в фотографических пластинах и плёнках. Мы использовали красный свет только изредка при работе с образцами внутри вакуумной камеры».
Параллельно команда моделировала поверхности и структуры воды, покрывающие их, используя теорию функционала плотности — передовой вычислительный метод для квантово-механического моделирования взаимодействий на атомном уровне.
«Эти симуляции позволили нам определить, какие атомные расположения энергетически наиболее стабильны», — объясняет Андреа Конти, проводивший расчёты. «Точно моделируя границу раздела йодид серебра — вода, мы могли наблюдать, как первые молекулы воды организуются на поверхности, образуя слой льда».
«Замечательно, что так долго мы полагались на довольно расплывчатое, феноменологическое объяснение поведения йодида серебра при зарождении», — говорит Ульрике Диболд, руководитель группы физики поверхности в TU Wien, где проводилось исследование.
«Зарождение льда — явление, имеющее центральное значение для физики атмосферы, и понимание на атомном уровне обеспечивает основу для оценки того, могут ли другие материалы служить эффективными агентами зарождения».
Источник:
[Vienna University of Technology](https://phys.org/partners/vienna-university-of-technology/)