Физики раскрыли тайну зарождения льда
08.06.2025 00:26
Вопрос о том, почему лед образуется быстрее на поверхности, чем внутри воды, заинтересовал исследователей из Института промышленных наук Токийского университета. Результаты их работы были опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science.
Замерзание не происходит мгновенно, а начинается с процесса нуклеации - формирования мельчайших ледяных "зародышей", из которых постепенно образуются кристаллы. Понижение температуры может ускорить этот процесс, однако точные механизмы его запуска, особенно у границы воды с твердой поверхностью, до сих пор остаются неясными.
Ученые провели серию молекулярно-динамических симуляций для моделирования поведения воды возле различных поверхностей. Основное внимание было уделено тому, как молекулы воды упорядочиваются на границе раздела. Оказалось, что ключевую роль играет не только химическое взаимодействие поверхности с льдом, как считалось ранее, но и то, как именно молекулы воды располагаются в ближайших к поверхности слоях.
Если поверхность способствует образованию упорядоченной двухслойной структуры молекул воды, это способствует появлению гексагональной кристаллической решетки, подобной той, что образуется при образовании льда. Однако излишняя гидрофильность, т.е. слишком сильное притяжение к воде, может нарушить это упорядочение и затруднить начало кристаллизации. Поэтому важно найти баланс: поверхность не должна быть слишком гидрофильной или слишком гидрофобной, чтобы обеспечить оптимальные условия для образования льда.
Эти выводы могут иметь важное значение при разработке антиобледенительных покрытий, управлении кристаллизацией в микрофлюидике и в понимании процессов в атмосфере. Кроме того, предложенный механизм применим не только к воде, но и к другим веществам с тетраэдрическими связями, таким как кремний или углерод. Это открытие особенно важно для областей, таких как климатология и производство полупроводников.
Источник и фото: science.mail.ru
