Физики раскрыли новый механизм обледенения на микроуровне

Физики и инженеры-механики раскрыли новый механизм обледенения на микроуровне — и поразились, что он, будучи, по сути, на виду, оставался незамеченным. О своем открытии они рассказали в журнале Nature Physics.

Обледенение мешает работе различной техники — от кондиционеров и холодильников до самолетов и космических кораблей. На микроуровне оно распространяется в основном за счет «ледяных мостиков», которые соединяют соседние переохлажденные капли жидкости. Десятилетиями считалось, что эти мостики растут по поверхности.

Это предположение, основанное преимущественно на обычной съемке сверху, лежит в основе существующих теоретических моделей и методов борьбы с обледенением. Авторы нового исследования показали, что это неполное представление.

Используя микроскопию высокого разрешения в сочетании с фокальной плоскостной визуализацией, они показали, что ледяные мостики могут расти в двух различных пространственных режимах:

• на гидрофильных (смачиваемых) поверхностях мостики формируются прямо на подложке — это соответствует классическим представлениям,
• на супергидрофобных (водоотталкивающих) поверхностях — напротив, мостики растут в подвешенном состоянии, соединяя капли через воздух, а не вдоль твердой границы.

«Мы показали, что смачиваемость поверхности — главный параметр, управляющий переходом между двумя режимами», — подчеркивает физик из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Сиянь Ян, первый автор работы.

Исследователи выявили критический порог кажущегося угла контакта водяной капли — примерно 105 градусов. Выше этого значения начинают преобладать висячие ледяные мостики. Это открытие показывает, что смачиваемость не только влияет на распределение и расстояние между каплями, что давно известно, но и фундаментально задает трехмерную траекторию роста ледяных мостиков.

Пространственный режим мостиков определяется геометрией капель и соответствующими путями диффузии пара. На супергидрофобных поверхностях форма капли смещает кратчайший путь переноса пара дальше от подложки, что приводит к образованию висячего мостика.

Растут такие висячие мостики гораздо медленнее, чем прикрепленные к поверхности — потому что в отсутствие тепловой связи с холодной поверхностью с увеличением длины мостика повышается и температура на его конце.

В итоге обледенение на супергидрофобных поверхностях сильно замедляется — в сравнении с гидрофильными скорость распространения льда, как показали эксперименты, может быть ниже на 80%.

«Поражает не столько само открытие, сколько то, что произошло оно только сейчас. Висячие ледяные мостики — не какое-то экзотическое явление, требующее экстремальных условий. Они всегда были, просто оставались незамеченными из-за особенностей наблюдения. Мы показали, что обледенение — это не чисто двумерный процесс, как считалось, а по сути трехмерный, определяемый взаимодействием геометрии, переноса пара и тепловой связи», — заключила Ян.

Она допустила похожие открытия даже в хорошо изученных системах за пределами фокальной плоскости.