Физики раскрыли тайну зарождения льда

Исследование объясняет неожиданные детали микромира и помогает контролировать замерзание. Молекулы воды выстраиваются в гексагональные структуры, если поверхность «правильная» / Источник: Unsplash

Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле. Она окружает нас в самых разных формах — дождь, снег, иней, облака. Однако даже о таком повседневном явлении, как замерзание воды, ученые знают далеко не все.

Почему лед формируется быстрее на поверхностях, чем в толще воды? Этим вопросом задались исследователи из Института промышленных наук Токийского университета. Результаты их работы опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science. Замерзание не происходит мгновенно. Сначала запускается процесс нуклеации — образование крошечных ледяных «зародышей», из которых постепенно вырастают кристаллы. Ускорить этот процесс может понижение температуры, но точные механизмы его запуска, особенно у границ воды с твердой поверхностью, до сих пор оставались неясными.

Ученые провели серию молекулярно-динамических симуляций, чтобы смоделировать поведение воды рядом с различными поверхностями. Основное внимание они уделили тому, как молекулы воды упорядочиваются у границы раздела. Оказалось, что ключевую роль играет не просто химическое сродство поверхности ко льду, как считалось ранее. Намного важнее то, как именно молекулы воды выстраиваются в ближайших к поверхности слоях.

От степени гидрофильности зависит, начнется ли кристаллизация или процесс замедлится / Источник: Unsplash

Если поверхность способствует формированию упорядоченной двухслойной структуры молекул воды, это облегчает появление гексагональной (шестигранной) кристаллической решетки — такой, как у обычного льда. Однако слишком сильное притяжение воды, то есть избыточная гидрофильность, наоборот, нарушает это упорядочение и мешает нуклеации. Таким образом, существует «золотая середина»: поверхность должна быть не слишком гидрофильной, но и не слишком гидрофобной, чтобы создать оптимальные условия для образования льда.

Эти выводы могут сыграть важную роль в создании антиобледенительных покрытий, управлении кристаллизацией в микрофлюидике и даже в понимании процессов в атмосфере. Более того, предложенный механизм применим не только к воде. Похожим образом себя ведут и другие вещества с тетраэдрическими связями, например, кремний или углерод. Это делает открытие особенно значимым для таких областей, как климатология и производство полупроводников.