Слой за слоем: раскрыты молекулярные механизмы образования льда
Вода окружает нас повсюду и принимает множество форм: снег, дождь со снегом, град, иней... Однако несмотря на то, что вода так привычна, ученые до сих пор не до конца понимают ключевые физические процессы, происходящие при ее переходе из жидкого состояния в твердое.
Это упущение исправили ученые из Института промышленных наук Токийского университета. Чтобы разобраться, почему лед образуется легче на поверхностях, чем в толще воды, они провели серию молекулярных симуляций, результатами которых поделились в Journal of Colloid and Interface Science.
Температура замерзания воды, как всем прекрасно известно, 0 °C. Однако это вовсе не означает, что она превратится в лед, как только столбик термометра упадет до этой отметки. Вместо этого образуются крошечные центры кристаллизации, которые постепенно обрастают льдом, распространяющимся по всему объему. Физики называют этот процесс нуклеацией (зародышеобразованием), и чем холоднее — тем быстрее он протекает. Хотя на микроскопическом уровне важны и другие факторы.
«Если наблюдать за замерзанием стакана воды, можно заметить, что лед сначала образуется на границе воды и стекла, а затем постепенно распространяется внутрь, — объясняет Ган Сан, ведущий автор исследования. — Это явно указывает на то, что взаимодействие молекул воды с поверхностями играет ключевую роль в процессе нуклеации».
Чтобы понять микроскопические механизмы образования льда, команда использовала сложные молекулярно-динамические моделирования с учетом множества параметров, таких как температура и сила межмолекулярного взаимодействия. Один из факторов оказался особенно неожиданным.
«Большинство предположило бы, что путь нуклеации определяется сродством поверхности ко льду. Однако наши симуляции показали, что расположение молекул воды в двух ближайших к поверхности слоях еще важнее. Такая слоистая структура способствует формированию гексагональной кристаллической решетки на поверхности, которая затем распространяется в объем жидкости», — говорит профессор Хадзимэ Танака, старший автор работы.
Ключевым фактором, тем не менее, остается гидрофильность поверхности — ее способность притягивать воду. Слишком сильная гидрофильность нарушает двумерную гексагональную упорядоченность молекул воды, препятствуя нуклеации. Для образования льда хороша золотая середина: когда взаимодействие с поверхностью не слишком сильное и не слишком слабое, чтобы мешать кристаллизации.
Эти знания дают инструмент для потенциального контроля над образованием льда, что может быть полезно для создания покрытий против обледенения и других материалов. Предложенный механизм применим к другим жидкостям с тетраэдрическими связями, таким как кремний и углерод. Это открывает новые возможности в климатических исследованиях и производстве полупроводников, где важно управление нуклеацией.
