At bryde isen:Molekylær indsigt i frysning af saltvandsdråber

I en ny undersøgelse har forskere observeret frysning af saltvandsdråber på molekylært niveau, hvilket giver ny indsigt i afisnings- og anti-isningsteknologier. I modsætning til konventionel visdom er disse dråber ikke i overensstemmelse med de typiske frysemønstre, der observeres i rent vand.

Forskerholdet, hvis undersøgelse blev offentliggjort i Nature Communications , udførte eksperimenter for at afdække dannelsen af ​​en saltvandsfilm oven på de frosne havvandsdråber, som tidligere ikke var blevet rapporteret.

Dette blev ledsaget af fremkomsten af ​​iskrystaller fra bunden af ​​saltlagefilmen, som vokser, indtil de gennemborer toppen af ​​dråben i et fænomen, der kaldes "isspirer". Disse blev valideret ved hjælp af molekylær dynamik (MD) simuleringer

De udførte yderligere et analogt eksperiment for at måle hastigheder for isudfældning og kondensering, hvilket understøttede den foreslåede mekanisme.

Rent vs. saltvandsfrysning

Nedfrysning af rene vanddråber følger typisk en velforstået proces, hvor dråben gradvist afkøles, indtil den når sit frysepunkt. Derefter dannes og vokser iskrystallerne, idet de tager en solid isstruktur med en enestående, spids spids.

På den anden side introducerer frysning af saltvandsdråber yderligere kompleksitet. Når dråben fryser, påvirker saltkoncentrationen indeni frysepunktet, hvilket typisk sænker det sammenlignet med rent vand. Dette får også den spidse spids af dråben til at forsvinde, som rapporteret i tidligere forskning.

Isingsprocessen, som refererer til ophobning af is på overflader eller genstande på grund af frysning af vanddråber, kan forårsage skade på flere processer, såsom navigation, luftfart og infrastruktur.

Imidlertid introducerer saltvandsdråbernes opførsel yderligere overvejelser. Tilstedeværelsen af ​​et saltlage kan påvirke vedhæftningen af ​​den frosne dråbe til overflader, hvilket potentielt påvirker anti-isningsstrategier eller overfladebelægninger designet til at afbøde isdannelse.

Undersøgelsens første forfatter, Dr. Fuqiang Chu, en lektor ved University of Science and Technology, Beijing, talte til Phys.org om deres arbejde.

"Jeg er nysgerrig på isdannelsesfænomenet og begyndte at studere det, mens jeg forfulgte min doktorgrad. Jeg tror dog, at folk ikke helt kunne forstå dette fænomen indtil nu, især når de brugte en binær dråbe, såsom en saltdråbe."

"I dette arbejde undersøgte vi processen med frysning af salte dråber og forsøgte at opdage det unikke ved frysning af salte dråber sammenlignet med rene vanddråber," sagde Dr. Chu.

Overvågning og analyse af fryseprocessen

For at studere saltvands fryseproces brugte forskerne saltvand med varierende saltkoncentrationer. De brugte et halvlederkølemodul til at give kontrolleret køling, så de kunne indstille overfladetemperaturen til under dråbernes frysepunkt.

Saltvandsdråber blev sprøjtet ind på den eksperimentelle overflade, hvor de gennemgik fryseprocessen. Højhastighedsmikrofotografering blev brugt til at registrere og analysere isdannelsesfænomenerne, herunder dannelsen af ​​væskefilm oven på frosne dråber.

De observerede tilstedeværelsen af ​​koncentreret saltlage i de frosne salte dråber, hvilket indikerer ufuldstændig frysning, hvilket er forskelligt fra frysning af rene vanddråber.

Baseret på temperaturmålinger udtænkte forskerne en metode til at forudsige frysevarigheden af ​​salte dråber. De korrelerede udseendet af en flydende film oven på frosne dråber med slutningen af ​​fryseprocessen, hvilket giver en visuel indikator for fastfrysningstidsbestemmelse.

MD-simuleringerne blev derefter brugt til at validere og supplere de eksperimentelle resultater ved at tilbyde et perspektiv på molekylært niveau, så forskerne kunne forstå de underliggende mekanismer, der driver de observerede fænomener.

MD-simuleringerne havde til formål at reproducere de eksperimentelle observationer og give yderligere indsigt i de molekylære interaktioner, der forekommer under dråbefrysning ved at simulere adfærden af ​​ioner, vandmolekyler og frysegrænseflader på nanoskala.

Isspirer

Forskerne observerede dannelsen af ​​et saltlage på toppen af ​​den frosne dråbe. Dette lag forhindrer dannelsen af ​​en spids spids og opretholder en stabil temperatur i dråben.

"Efter dannelsen af ​​saltlagefilmen begynder nogle iskrystaller at spire i bunden af ​​filmen, hvilket minder meget om frøspiringsprocessen. Dette isspirende fænomen overraskede mig og fik mig til at føle, at dråberne levede og pleje et nyt liv," sagde Dr. Chu.

Dette unikke fænomen resulterer i punktering af brinefilmen og yderligere iskrystalvækst i luften.

Isspirende fænomen er styret af grænsefladekondensering på den mættede brinefilm under fugtige luftforhold.

Med andre ord, da temperaturen på brinefilmen er lavere end den omgivende lufts dugpunkt (den temperatur, ved hvilken luft bliver mættet med vanddamp), får det vanddamp fra luften til at kondensere ved grænsefladen af ​​brinefilmen.

Dette kondenserede vand fortynder brinefilmen og forstyrrer dens balance eller ligevægt. Som en konsekvens af denne fortynding bliver saltlagefilmen overmættet med salt, hvilket fører til udfældning af iskrystaller inde fra filmen. Iskrystallerne, der dannes i brinefilmen, øger dens saltkoncentration og genmætter derved saltlagefilmen ved dens temperatur.

"Dette tyder på, at den miljømæssige fugtighedseffekt ikke kan ignoreres, når man studerer faseovergangs- eller krystallisationsprocessen for opløsninger," tilføjede Dr. Chu.

Universel definition af frysevarighed

Ud over disse to observerede fænomener foreslog forskerne en universel definition af frysevarighed til kvantificering af isingshastigheden af ​​dråber med varierende saltkoncentrationer. Dette er en vigtig parameter til at evaluere ydeevnen af ​​anti-isningsoverflader og -teknologier.

"Ved at bruge vores definition af frysevarighed for salte dråber, kan forskere være i stand til kvantitativt at vurdere ydeevnen af ​​deres anti-isningsmetoder mod salte dråber. Dette kan være nyttigt for udviklingen af ​​marine anti-isningsteknologier," forklarede Dr. Chu.

At identificere dannelsen af ​​saltlagefilmen oven på frosne dråber giver forskerne en standardiseret måde at markere slutningen af ​​fryseprocessen på, hvilket gør det nemmere at måle og sammenligne dråbefrysningsadfærd.

Når vi taler om potentielle anvendelser til anti-isningsteknologier, nævner Dr. Chu sænkning af vedhæftningen af ​​de frosne saltvandsdråber.

"For en saltvandsdråbe manifesteres hele isdannelsesprocessen som tilfældig vækst af iskrystal, og der er koncentreret saltlage tilbage i iskrystallernes sprækker."

"Som et resultat afhænger adhæsionen af ​​frosne saltvandsdråber ikke kun af kontaktarealet, men er også relateret til vækstorienteringen af ​​isdendritter og fordelingen af ​​koncentreret saltvand. Disse kan kontrolleres ved at indstille positionen af ​​nukleationssteder (initial formation) for at opnå en lav isadhæsion," forklarede Dr. Chu.

Flere oplysninger: Fuqiang Chu et al., Grænsefladeisspirer under frysning af saltvandsdråber, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46518-y.

Journaloplysninger: Nature Communications

© 2024 Science X Network