Китайські фізики виявили, що лід у замерзаючих краплях має пористу структуру, яка утворюється через вивільнення бульбашок розчиненого у воді газу. При цьому розмір крапель, температура і властивості підкладки практично не позначаються на протіканні цього процесу. Крім того, вчені побудували теоретичну модель процесу. Стаття опублікована в, препринт роботи вчені виклали на ResearchGate.net.
У багатьох випадках намір льоду є технічною проблемою, від якої потрібно позбутися. Зокрема, цей процес скорочує урожай озимих, знижує підйомну силу зледенілого літака і погіршує теплопередачу в обігрівачах. Протягом останніх тридцяти років фізики активно вивчали процес обмерзання і зрештою розробили кілька способів, які повинні знизити його швидкість. Деякі вчені покривають поверхню візерунком наноструктур, інші знижують коефіцієнт прилипання льоду, треті змушують намерзаючі краплі самим скочуватися з поверхні.
Тим не менш, у цих досліджень є і спільна риса: всі вони припускали, що замерзаючий лід є суцільним середовищем без дефектів. Але на практиці ця умова виконується рідко - як правило, у воді розчинені гази, бульбашки яких вивільняються при замерзанні і захоплюються льодом. Щоб переконатися в цьому, достатньо заморозити в холодильнику кілька кубиків льоду. Кілька років тому група фізиків під керівництвом Якко Снуейера (Jacco Snoeijer) випадково виявила схожий процес в краплях, в які збирається вода, розлита по плоскій поверхні. Тим не менш, досі вчені нехтували утворенням бульбашок всередині таких крапель (або просто його не помічали).
Група вчених під керівництвом Дуншен Веня (Dongsheng Wen) ретельно досліджувала цей процес і показала, що для всіх крапель він протікає за однаковим сценарієм, також дослідники розробили теоретичну модель процесу. Для цього фізики простежили за замерзанням крапель трьох різних розмірів (об'ємом один, два і чотири мікролітри), поміщених на одну з трьох поверхонь. Дві поверхні були гідофобними, ще одна - гідрофільною; дві поверхні охолоджено до 20 градусів Цельсія, ще одна - до 15 градусів. Температура навколишнього краплі повітря становила 20 градусів Цельсія, а відносна вологість змінювалася в межах між 20 і 40 відсотками.
В результаті у всіх дослідах вчені поспостерігали одну і ту ж картину. Спочатку крапля переохолоджувалася нижче точки замерзання води. Потім у ній з'являлося кілька центрів, навколо яких починали швидко рости кристаліки льоду. При цьому розчинений у рідині газ вивільнявся і частково захоплювався швидко зростаючим фронтом. Нарешті, на останній стадії крижаний фронт порівняно повільно поширювався по всьому обсягу краплі. Тим не менш, на цьому етапі лід продовжував захоплювати бульбашки, так що до кінця замерзання крапля рівномірно заповнювалася крихітними порожнинами діаметром близько десяти мікрометрів. Взагалі кажучи, через нерівність процесу вода ставала каламутною, а тому виміряти діаметр бульбашок і відразу простежити за їх утворенням було неможливо. Тому вчені виконували необхідні вимірювання, повільно «прокручуючи» процес замерзання в зворотний бік, тобто розморожуючи краплю. Важливо, що швидкість спливання бульбашок, розрахована за допомогою законів Архімеда і Стокса, виявлялася меншою, ніж швидкість руху крижаного фронту; власне, це і зумовлювало їх долю.
Цікаво, що аналогічні процеси також відбувалися в крихітних краплях конденсату, які осаджувалися навколо великої краплі і в кращому випадку досягали 50 мікрометрів в діаметрі. Крім того, бульбашки формувалися в очищених від газу краплях. Цей факт вчені пояснюють дифузією навколишнього повітря в невеликий об'єм краплі, характерний час якої становить трохи більше однієї секунди.
Нарешті, вчені розробили теоретичну модель процесів, що супроводжують замерзання переохолодженої краплі. Для простоти фізики нехтували випаром води і розчиненого газу, вважали крижаний фронт плоским і горизонтальним, а бульбашки газу - незжиманими. У рамках цих наближень вчені склали диференційне рівняння, яке визначало швидкість росту крижаного фронту і швидкість утворення бульбашок. В цілому, залежності, отримані за допомогою інтегрування цього рівняння, збіглися з результатами експерименту.
Автори статті вважають, що їхня робота - переважно теоретична модель, - допоможе краще зрозуміти процес замерзання води і розробити більш ефективні системи антиобледеніння. Крім того, вчені дивуються, що досі фізики ігнорували пористу структуру крапель.
Фізики давно досліджують замерзання води, проте досі продовжують відкривати щось цікаве. Наприклад, у серпні 2016 році французькі дослідники виявили і теоретично описали три сценарії, за якими розтріскується замерзаюча крапля води, що впала на холодну поверхню металу. У березні 2017 фізики з Університету Твенте теоретично пояснили процеси, які призводять до вибуху швидко замерзаючих крапель води. А в червні цього року американські вчені розібралися з ще одним красивим процесом - замерзанням мильної бульбашки. Тоді вчені теоретично пояснили два сценарії замерзання, в одній з яких куля поступово замерзає знизу вгору, а в другій по поверхні кулі кружляють снігові зірочки.