Frysning bobler viral videoinspireret forskning nu offentliggjort

Videnskabelig undersøgelse begynder ofte med "hvorfor".

Uden at forvente at gøre mere end at besvare et spørgsmål fra en YouTube -video, Virginia Tech -forskere kan have ændret, hvordan folk tænker om processen med frysning.

Lead Virginia Tech -forsker Jonathan Boreyko, en adjunkt i maskinteknik ved Ingeniørhøjskolen, og hans forskere studerede på en YouTube -video af en sæbeboblestop. Det fascinerende syn af iskrystaller, der svævede rundt om boblen, fik ingeniørerne til at undre sig over, hvad der forårsagede fænomenet.

Boreyko og studenterforskere Farzad Ahmadi og Saurabh Nath, begge kandidatstuderende i ingeniørmekanik, og Christian Kingett, en bachelorforsker i ingeniørvidenskab og mekanik, der blev uddannet i 2019, foretaget litteraturforskning og fandt ud af, at ingen nogensinde havde undersøgt, hvordan sæbefilm eller bobler fryser.

Resultaterne af teamets forespørgsel, der begyndte som en simpel "hvorfor, "er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forklarer fysikken bag, hvad der får iskrystallerne til at hoppe op i boblen og hvirvle rundt, dermed ændrer opfattelsen om processen med frysning.

"Vi startede med at fryse en boble i laboratoriet, ved hjælp af et frosset substrat, "Boreyko forklarede." Det, vi fandt, var, at boblen ville fryse fra bunden til et bestemt punkt og derefter stoppe. Vi fik ikke den dejlige 'snow globe -effekt', som vi så på videoen. Men, Farzad lavede en flot model, der præcist kan forudsige, hvor frysefronten stopper baseret på boblens størrelse og lufttemperaturen. "

Fordi en bobles skal er mikroskopisk tynd, den varme lufttemperatur i laboratoriet forhindrede det kolde stadie i helt at fryse boblen. Flytter til en walk-in fryser, holdet prøvede forsøget igen, troede de ville opdage, hvordan de flydende iskrystaller blev dannet.

"Vi så det ikke i fryseren, enten, i første omgang, "Boreyko sagde." Men vi forsøgte igen at deponere boblen på is i stedet for et tørt substrat, og det var her, vi så, hvad vi ledte efter. "

Ved minus 20 grader Celsius og ved brug af et isunderlag, boblen hurtigt fyldt med flydende krystaller, der fremskyndede den fuldstændige frysning af boblen, og åbnede forskerens øjne.

"Når du lægger boblen på et isnende underlag, boblen begynder at fryse, som frigiver varme, "sagde Ahmadi." Bunden af ​​boblen, I dette tilfælde, bliver varmere end resten af ​​boblen-det er fryseinduceret opvarmning. "

Den molekylære energi frigives, når vandmolekylerne smelter sammen til et tætpakket fast gitter, der skabte en temperaturforskel på cirka 14 grader-minus 20 i toppen af ​​boblen og minus 6 grader ved den frosne base.

"Temperaturgradienten fra top til bund ændrede overfladespændingen, "Sagde Ahmadi." Spændingen skabte en strøm fra det varme mod det kolde. "

Dette flow er kendt som Marangoni Flow. Når det forekommer i de frysende bobler, strømmen river iskrystaller fra bunden af ​​boblen og hvirvler dem rundt om den flydende skal, hvor de forstørres, indtil hele boblen er frosset.

"Tidligere troede vi, at hvor hurtigt vi kunne fryse noget afhængede af, hvor hurtigt frysefronten kunne vokse, "Boreyko sagde." Dette viser os, at en fryseinduceret Maragoni Flow vil skabe hundredvis af yderligere frysefronter fra iskrystallerne fjernet fra bunden. Så, vi indså, at det ikke bare er, hvor hurtigt den ene front vokser, men i tilfælde som vores boble, du kan manipulere systemet med at have hundredvis af frysefronter, der arbejder sammen for at fastfryse noget meget hurtigere. "