Побит рекорд температуры замерзания воды

Знание того, как и почему вода превращается в лед, необходимо для понимания широкого спектра природных процессов. На колебания климата, динамику облаков и круговорот воды влияет трансформация воды и льда, как и на животных, живущих в условиях замерзания.

Древесные лягушки, например, переживают зиму на суше, позволяя своим телам замерзать. Это позволяет им выходить из спячки быстрее, чем виды, зимующие глубоко под водой, не замерзая. Но кристаллы льда могут разрывать клеточные мембраны, поэтому животным, которые используют эту технику, необходимо найти способ предотвратить образование льда в их клетках и тканях. Лучшее понимание того, как замерзает вода, может привести к лучшему пониманию этих экстремальных видов.

Хотя эмпирическое правило гласит, что температура воды замерзает при 0 градусов по Цельсию, вода может оставаться жидкой в ​​диапазоне низких температур при определенных условиях. До сих пор считалось, что этот диапазон остановился на отметке минус 38 градусов по Цельсию. Чуть ниже - и вода должна замерзнуть. Но в исследовании, опубликованном 30 ноября в журнале Nature Communications, исследователям удалось удерживать капли воды в жидком состоянии при температуре до -44 градуса по Цельсию.

К их прорыву было два ключа: очень маленькие капельки и очень мягкая поверхность. Они начали с капель размером от 150 нанометров, размером чуть больше частицы вируса гриппа, до двух нанометров, кластера всего из 275 молекул воды. Такой диапазон размеров капель помог исследователям раскрыть роль размера в преобразовании воды в лед.

"Мы рассмотрели все эти диапазоны, чтобы понять, при каких условиях будет образовываться лед - какая температура, какой размер капель", - сказал соавтор исследования Хади Гасеми, профессор машиностроения из Хьюстонского университета. "И что еще более важно, мы обнаружили, что если капли воды покрыты мягкими материалами, температура замерзания может быть снижена до действительно низкой температуры".

В качестве мягкого материала они использовали октан - масло, которое окружало каждую каплю в наноразмерных порах анодированной мембраны из оксида алюминия. Это позволило каплям принимать более округлую форму под большим давлением, что, по словам исследователей, важно для предотвращения образования льда при таких низких температурах.

Поскольку практически невозможно наблюдать процесс замерзания в таких небольших масштабах, исследователи использовали меры электропроводности - поскольку лед более проводим, чем вода - и свет, излучаемый в инфракрасном спектре, чтобы уловить точный момент и температуру, при которых капли трансформируются из вода для льда.

Они обнаружили, что чем меньше размер капли, тем холоднее она должна быть для образования льда, а для капель размером 10 нанометров и меньше скорость образования льда резко падает. В мельчайших каплях, которые они измерили, лед не образовывался, пока вода не достигла -44 ° C.

Означает ли это, что микроскопические капли в облаках и биологических клетках могут стать еще холоднее, чем мы думали? "Как ученый, я бы сказал, что мы еще не знаем", - сказал Гасеми.

Но это открытие может иметь большое значение для предотвращения обледенения искусственных материалов, таких как авиационные и энергетические системы, сказал Гасеми. Если вода на мягких поверхностях замерзает дольше, инженеры могут включить в свои конструкции смесь мягких и твердых материалов, чтобы на этих поверхностях не образовывался лед.

"Есть так много способов использовать эти знания для проектирования поверхностей, чтобы избежать образования льда", - сказал Гасеми. "Как только мы получим это фундаментальное понимание, следующим шагом будет проектирование этих поверхностей на основе мягких материалов".