Naukowcy odkrywają niezwykłą nową formę lodu

Naukowcy z Japonii odkryli nową formę lodu zwaną lodem-0, która może pomóc w tworzeniu kryształków lodu w przechłodzonej wodzie. Ich badania pokazują, że zarodkowanie lodu może zachodzić w pobliżu powierzchni kropelek wody w wyniku struktur podobnych do lodu, co rozwiązuje długotrwałą debatę. Wyniki te mają ważne implikacje dla różnych dziedzin, w tym badań nad klimatem i naukami o żywności, ponieważ pogłębiają naszą wiedzę na temat powstawania lodu.

Lód jest bardziej złożony, niż większość ludzi zdaje sobie sprawę, a nauka zidentyfikowała ponad dwadzieścia różnych rodzajów lodu, które tworzą się pod różnymi kombinacjami ciśnienia i temperatury. Rodzaj, którego używamy do chłodzenia naszych napojów, zwany pierwszym lodem, jest jedną z niewielu form występujących naturalnie na Ziemi. Niedawno badacze z Japonii odkryli inny typ: lód 0, niezwykłą formę lodu, która w przechłodzonej wodzie może zacząć tworzyć kryształki lodu.

Tworzenie się lodu w pobliżu powierzchni ciekłej wody może rozpocząć się od maleńkich krystalicznych prekursorów o strukturze podobnej do rzadkiego rodzaju lodu, znanego jako lód 0. W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczaNaukowcy z Departamentu Badań nad Współpracą Społeczną „Nauka o Ochronie Lodu” w Instytucie Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego wykazali, że te lodowopodobne struktury mogą powodować zamarzanie kropli wody w pobliżu jej powierzchni, a nie w jej rdzeniu. Odkrycie to rozwiązuje długoletnią tajemnicę i może pomóc na nowo zdefiniować nasze rozumienie powstawania lodu.

Proces powstawania rdzeni lodowych

Krystalizacja lodu, znana jako zarodkowanie lodu, zwykle zachodzi niejednorodnie, czyli innymi słowy, na stałej powierzchni. Zwykle można się tego spodziewać na powierzchni pojemnika z wodą, gdzie ciecz styka się ze ciałem stałym. Jednak nowe badania pokazują, że krystalizacja lodu może również zachodzić tuż pod powierzchnią wody, gdzie styka się on z powietrzem. Tutaj lód krystalizuje wokół małych prekursorów, które mają tę samą charakterystyczną kołową strukturę co lód 0.

„Symulacja wykazała, że ​​kropelka wody z większym prawdopodobieństwem krystalizuje w pobliżu swobodnej powierzchni w warunkach izotermicznych. Rozwiązuje to długotrwałą debatę na temat tego, czy krystalizacja zachodzi łatwiej na powierzchni, czy wewnętrznie” – mówi Gang Sun, główny autor badania .

Naukowcy z Instytutu Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego odkryli, że lód zaczyna tworzyć się w pobliżu powierzchni wody poprzez struktury przypominające niedawno odkryty rzadki rodzaj lodu, co pomaga nam lepiej zrozumieć powstawanie lodu. Źródło: Instytut Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego

Prekursory lodu 0

Poprzednicy Ice 0 mają strukturę bardzo podobną do przechłodzonej wody, dzięki czemu cząsteczki wody łatwiej się z niej krystalizują, bez konieczności bezpośredniego formowania się w strukturę zwykłego lodu. Małe prekursory lodu powstają samoistnie, w wyniku działania podciśnienia wywołanego napięciem powierzchniowym wody. Gdy z tych prekursorów rozpocznie się krystalizacja, struktury podobne do lodu szybko przekształcają się w bardziej powszechny lód I.

Główny autor Hajime Tanaka podkreślił szeroko zakrojone implikacje tego badania, zauważając, że „oczekuje się, że odkrycia dotyczące mechanizmu krystalizacji powierzchni wody wniosą znaczący wkład w różne dziedziny, w tym badania klimatyczne i naukę o żywności, gdzie krystalizacja wody odgrywa kluczową rolę rola.”

Bardziej szczegółowe zrozumienie lodu i sposobu jego powstawania może zapewnić bezcenny wgląd w różne obszary badań. Praca ta może być szczególnie interesująca na przykład w meteorologii, gdzie tworzenie się lodu przez podobne do lodu prekursory 0 może mieć bardziej wyraźny wpływ na małe kropelki wody, takie jak te w chmurach. Zrozumienie lodu może przynieść korzyści również w technologii, od nauk o żywności po klimatyzację.

Odniesienie: „Krystalizacja wody wywołana powierzchnią w wyniku prekursorów utworzonych w obszarach podciśnienia”, Gang Sun i Hajime Tanaka, 26 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-024-50188-1