Усе не так, як ви думали. Неймовірне відкриття змінює уявлення про утворення льоду

Коли вода перетворюється на лід, вільні молекули води раптово перестають рухатися і починають утворювати кристали льоду, зʼєднуючись разом. Але, як стало нещодавно відомо вченим, їм для цього потрібно трохи тепла, повідомляє Livescience

Саме так, щоб перетворити воду на лід дійсно потрібно додаткове тепло. Учені зробили таке відкриття, спостерігаючи за рухом окремих молекул води, нанесених на холодну поверхню графену.

Учені використовували метод, названий спін-ехо гелію, вперше розроблений у Кембриджському університеті. Учені стріляють пучком атомів гелію по молекулах води, а потім спостерігають, як атоми гелію розсіюються, коли вони врізаються в лід, що формується.

"Цей метод схожий на дію радара, який використовує радіохвилі для визначення швидкості руху автомобіля по шосе", говорить Антон Тамтегль, науковий співробітник Інституту експериментальної фізики Технологічного університету Граца в Австрії. "Це більше схоже на радар-пастку для молекул на атомному рівні".

Цей метод не тільки дозволив ученим отримати дані про кожний атом у своїх експериментах, але також допоміг їм зафіксувати найбільш ранню стадію утворення льоду, відому як "нуклеація", коли молекули води вперше починають обʼєднуватися в лід.

"Нуклеація відбувається дуже швидко, у межах частки мільярдної секунди, і в результаті цього багато досліджень утворення льоду зосереджені на періоді часу відразу після нуклеації, коли ділянки льоду вже сформувалися і зʼєднаються у свого роду товсту плівку", — говорить Тамтегль.

"Учені за допомогою звичайних мікроскопів не можуть зафіксувати те, що відбувається на початку нуклеації, тому що інструменти не здатні робити знімки досить швидко, щоб не відставати від швидких молекул води", — каже він.

Дослідники іноді уповільнюють цей молекулярний рух, застосовуючи рідкий азот у своїх експериментах, знижуючи температуру приблизно до мінус 250 градусів за Цельсієм, але якщо ви хочете спостерігати замерзання льоду за більш високих температур, то вам потрібно використовувати це спін-ехо, — каже Тамтегль. У своїх власних експериментах команда охолоджувала поверхню графену до температури від мінус 173 ° C до мінус 143 ° C.

Але коли команда застосувала спін-ехо гелію до молекул води, нанесених на графен, вони виявили дещо нелогічне.

"Для нас сюрпризом стало те, що молекули води "не люблять одне одного", — говорить Тамтегль. Коли вчені полили водою поверхню графену, молекули спочатку відштовхували одне одного, зберігаючи певну відстань.

"Їм довелося ніби подолати цей барʼєр, перш ніж вони змогли сформувати шматочки льоду на поверхні графену", — говорить він. Щоб краще зрозуміти природу цієї сили відштовхування і те, як молекули долають її, команда створила обчислювальні моделі, щоб відобразити взаємодію молекул води в різних конфігураціях.

Моделювання показало, що при поміщенні на холодний графен усі молекули води орієнтуються в одному напрямку, причому два їхні атоми водню спрямовані вниз (атоми водню в молекулі води виступають від центрального атома кисню, як два мишачі вуха). Ці молекули води групуються разом на поверхні графену, але через їхню орієнтацію між ними все ще залишається порожній простір у кілька молекул.

Щоб зʼєднатися в кристали льоду, молекули повинні трохи зблизитися одне з одним і вирватися зі своєї однорідної орієнтації. "Це те, що формує барʼєр, для подолання якого потрібна енергія у вигляді тепла", — говорить Тамтегль.

Додаючи тепла, учені виявили, що вони можуть підштовхнути молекули води одне до одного і дозволити їм перебудуватися й утворити в кінцевому підсумку лід.

Усі ці взаємодії відбуваються в неймовірно короткий термін, тому ця коротка боротьба за подолання барʼєру проходить в одну мить.

Тамтегль і його колеги планують вивчити, чи відбувається зародження льоду однаковим чином на різних поверхнях. Наприклад, так званий "білий графен", також відомий як гексагональний нітрид бору, має структуру, аналогічну нормальному графену, але утворює більш міцні звʼязки з молекулами води, тому нуклеація на поверхні такого типу може відбуватися повільніше, каже вчений.

Нагадуємо, що вчені створили акумулятор з графену, який заряджається в 60 разів швидше, ніж звичайно.