Bølger af is inde i en dråbe

En dråbe, der falder på en overflade, der er betydeligt underkølet, har vist sig at fryse på en måde, der aldrig er observeret før. I stedet for den velkendte vækst af krystaller, en koldere overflade resulterer i bevægelige cirkulære isfronter. Disse fronter bevæger sig ud af midten til kanten af ​​den frysende dråbe. Forskere fra University of Twente og Max Planck Center for Complex Fluid Dynamics har demonstreret denne effekt for første gang, og giv en forklaring på den fysiske mekanisme, der er involveret i det seneste Proceedings of the National Academy of Sciences .

Når regn falder på en overflade, der stadig er frossen, det gør vejen meget glat på kort tid. Dette er et eksempel på væskedråber, der falder på en overflade, der har en temperatur under smeltepunktet - den er "superkølet". Nedfrysningen af ​​dråben og krystalliseringen fremkalder de stjerneformede dendritiske strukturer, der ofte observeres i snefnug. Hvis overfladen er koldere, imidlertid, dråben fryser ikke kun hurtigere, men mekanismen ændrer sig, såvel. På en overflade, der er kold nok, et bemærkelsesværdigt fænomen opstår:Fra midten af ​​dråben, isfronter bevæger sig mod kanten, mens dråben stadig breder sig. Dette sker gentagne gange, indtil dråben er helt frosset.

Optagelser nedefra

UT-forskerne observerede dette ved at filme frysningen af ​​dråben nedefra, præcis på overfladen. Laserlys reflekteres ved grænsefladen og filmes ved hjælp af et højhastighedskamera. Dette kaldes også total intern refleksion (TIR), og er baseret på samme metode, som bruges til at tage fingeraftryk. I forsøgene, den faldende dråbe er af hexadecan, som har et smeltepunkt på 18 grader Celsius. Bølgerne blev observeret, når overfladetemperaturen blev sænket til 11 grader under dette punkt.

Internt flow

I deres teoretiske forklaring i PNAS , UT-forskerne viser, at dråben er koldest ved nedslagspunktet, det er, i midten. Der dannes krystaller omkring dette, men samtidig, den indre væskestrøm skubber dem til grænserne. Denne proces bliver ved med at gentage sig selv, indtil hele dråben fryser. Undersøgelsen afslører også, at temperaturen på overfladen ændrer måden, hvorpå den størknede dråbe hæfter sig til overfladen, dermed ændre den lethed, hvormed den kan "pilles af."

Forskningen giver ikke kun grundlæggende indsigt i frysningsprocessen, det kunne hjælpe forskere med at udvikle anti-isningsoverflader som dem til flyvemaskiner. Det kan forbedre 3-D printteknikker, der gør brug af størkning af smeltet voks. Og det kan hjælpe med at fremme ekstrem ultraviolet litografi (EUV) til chipfremstilling. der, smeltede metalliske dråber, der størkner på spejle, kan hindre hele processen.

Papiret, "Hurtigfrysende kinetik inde i en dråbe, der rammer en kold overflade, " er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).