U novoj studiji, istraživači su primetili zamrzavanje kapljica slane vode na molekularnom nivou, nudeći nove uvide u tehnologije odmrzavanja i protiv zaleđivanja. Suprotno uobičajenoj mudrosti, ove kapljice ne odgovaraju tipičnim obrascima smrzavanja koji se primećuju u čistoj vodi.
Istraživački tim, čija je studija objavljena u Nature Communications, izveo je eksperimente kako bi otkrio formiranje filma slane vode (slane vode) na vrhu zamrznutih kapljica morske vode, što ranije nije prijavljeno.
Ovo je bilo praćeno pojavom kristala leda sa dna filma slane vode, koji rastu sve dok ne probiju vrh kapljice u fenomenu koji se naziva „probijanje leda“. Oni su validirani korišćenjem simulacija molekularne dinamike (MD).
Dalje su sproveli analogni eksperiment za merenje stopa padavina i kondenzacije leda, podržavajući predloženi mehanizam.
Zamrzavanje kapljica čiste vode obično prati dobro shvaćen proces gde se kapljica postepeno hladi dok ne dostigne tačku smrzavanja. Zatim se kristali leda formiraju i rastu, uzimajući čvrstu strukturu leda sa jedinstvenim, šiljastim vrhom.
S druge strane, zamrzavanje kapljica slane vode unosi dodatne složenosti. Kako se kapljica smrzava, koncentracija soli u njoj utiče na tačku smrzavanja, obično je snižavajući u poređenju sa čistom vodom. Ovo takođe čini da šiljasti vrh kapljice nestane, kao što je objavljeno u prethodnim istraživanjima.
Proces zaleđivanja, koji se odnosi na nakupljanje leda na površinama ili objektima usled smrzavanja kapljica vode, može prouzrokovati štetu u nekoliko procesa, kao što su navigacija, avijacija i infrastruktura.
Međutim, ponašanje kapljica slane vode uvodi dodatna razmatranja. Prisustvo sloja slane vode može uticati na prianjanje smrznute kapljice na površine, potencijalno uticati na strategije protiv zaleđivanja ili površinske premaze dizajnirane da ublaže zaleđivanje.
Prvi autor studije, dr Fukiang Chu, vanredni profesor na Univerzitetu nauke i tehnologije u Pekingu, govorio je za Phis.org o njihovom radu.
„Radoznala sam o fenomenu zaleđivanja i počela sam da ga proučavam dok sam studirala doktorsku diplomu. Međutim, mislim da ljudi do sada nisu mogli u potpunosti da razumeju ovaj fenomen, posebno kada su koristili binarne kapljice, kao što je slana kapljica.“
„U ovom radu proučavali smo proces zamrzavanja slanih kapljica i pokušali da otkrijemo jedinstvenost zamrzavanja slanih kapljica u poređenju sa kapljicama čiste vode“, rekao je dr Ču.
Da bi proučavali proces zamrzavanja slane vode, istraživači su koristili slanu vodu sa različitim koncentracijama soli. Koristili su poluprovodnički rashladni modul da obezbede kontrolisano hlađenje, omogućavajući im da podese temperaturu površine ispod tačke smrzavanja kapljica.
Kapljice slane vode su ubrizgane na eksperimentalnu površinu, gde su podvrgnute procesu zamrzavanja. Mikrofotografija velike brzine je korišćena za snimanje i analizu fenomena zaleđivanja, uključujući formiranje tečnog filma na vrhu zamrznutih kapljica.
Oni su primetili prisustvo koncentrovanog slanog rastvora unutar zamrznutih slanih kapljica, što ukazuje na nepotpuno zamrzavanje, što se razlikuje od zamrzavanja kapljica čiste vode.
Na osnovu merenja temperature, istraživači su osmislili metod za predviđanje trajanja smrzavanja slanih kapljica. Oni su povezali pojavu tečnog filma na vrhu zamrznutih kapljica sa završetkom procesa zamrzavanja, pružajući vizuelni indikator za određivanje vremena zamrzavanja.
MD simulacije su zatim korišćene za validaciju i dopunu eksperimentalnih rezultata nudeći perspektivu na molekularnom nivou, omogućavajući istraživačima da razumeju osnovne mehanizme koji pokreću posmatrane fenomene.
MD simulacije su imale za cilj da reprodukuju eksperimentalna zapažanja i pruže dodatni uvid u molekularne interakcije koje se javljaju tokom zamrzavanja kapljica simulacijom ponašanja jona, molekula vode i interfejsa zamrzavanja na nanoskali.
Istraživači su primetili formiranje sloja slane vode na vrhu zamrznute kapljice. Ovaj sloj sprečava stvaranje šiljastog vrha i održava stabilnu temperaturu unutar kapljice.
„Nakon formiranja filma slane vode, neki kristali leda počinju da niču na dnu filma, što je veoma slično procesu klijanja semena. Ovaj fenomen klijanja leda me je iznenadio, zbog čega sam se osećao kao da su kapljice žive i negovanje novog života“, rekao je dr Ču.
Ovaj jedinstveni fenomen rezultira probijanjem filma slane vode i daljim rastom kristala leda u vazduhu.
Fenomen klijanja leda je regulisan međufaznom kondenzacijom na zasićenom filmu slane vode u uslovima vlažnog vazduha.
Drugim rečima, pošto je temperatura filma slane vode niža od tačke rose okolnog vazduha (temperatura na kojoj vazduh postaje zasićen vodenom parom), to dovodi do kondenzacije vodene pare iz vazduha na interfejsu filma slane vode.
Ova kondenzovana voda razblažuje slani film, narušavajući njegovu ravnotežu ili ravnotežu. Kao posledica ovog razblaživanja, film slane vode postaje prezasićen solju, što dovodi do taloženja kristala leda unutar filma. Kristali leda koji se formiraju unutar filma slane vode povećavaju koncentraciju soli, čime ponovo zasićuju slani film na njegovoj temperaturi.
„Ovo sugeriše da se efekat vlažnosti životne sredine ne može zanemariti kada se proučava fazni prelaz ili proces kristalizacije rastvora“, dodao je dr Ču.
Pored ova dva uočena fenomena, istraživači su predložili univerzalnu definiciju trajanja zamrzavanja za kvantifikaciju brzine zaleđivanja kapljica sa različitim koncentracijama soli. Ovo je važan parametar za procenu performansi površina i tehnologija protiv zaleđivanja.
„Koristeći našu definiciju trajanja smrzavanja za slane kapljice, istraživači će možda moći kvantitativno da procene učinak svojih metoda protiv zaleđivanja u odnosu na slane kapljice. Ovo može biti od pomoći za razvoj morskih tehnologija protiv zaleđivanja“, objasnio je dr Ču.
Identifikovanje formiranja filma slane vode na vrhu zamrznutih kapljica pruža istraživačima standardizovan način da obeleže kraj procesa zamrzavanja, što olakšava merenje i upoređivanje ponašanja zamrzavanja kapljica.
Govoreći o potencijalnim primenama tehnologija protiv zaleđivanja, dr Chu pominje smanjenje adhezije zamrznutih kapljica slane vode.
„Za kapljicu slane vode, ceo proces zaleđivanja se manifestuje kao nasumični rast kristala leda, a u pukotinama ledenih kristala ostaje koncentrisana slana voda.“
„Kao rezultat toga, adhezija smrznutih kapljica slane vode ne zavisi samo od kontaktne površine, već se odnosi i na orijentaciju rasta ledenih dendrita i distribuciju koncentrovanog slanog rastvora. Ovo se može kontrolisati podešavanjem položaja mesta nukleacije (početne formacije) da bi se postigla niska adhezija leda“, objasnio je dr Ču.
