Forsker udforsker kontaktfrysning af vand på nanoskala

På nanoskala, vand fryser på forskellige måder, og ikke alle er helt forstået. Blandt andre fordele, at få bedre styr på disse processer kan betyde store forbedringer i vejrudsigten.

Til det formål, laboratoriet af Amir Haji-Akbari, adjunkt i kemi- og miljøteknik, har fokuseret på en særlig hurtig proces kendt som kontaktfrysning, hvor en underkølet (under frysepunktet, men ufrosne) væskedråber i atmosfæren kolliderer med en kernedannende partikel - dvs. en partikel, der letter frysningen af ​​en væske, der kommer i kontakt med den. Frysningen sker meget hurtigere end nedfrysningsprocessen - en mere almindelig hændelse, hvor en kernedannende partikel allerede er inde i en væskedråbe, når temperaturen falder.

Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Præcis hvorfor kontaktfrysning sker og så hurtigt har været et langvarigt spørgsmål blandt videnskabsmænd. På et tidspunkt, videnskabsmænd troede, at frysning var induceret af forbigående virkninger forårsaget af kollisionen. En senere teori hævdede, at frysning blev fremskyndet af det, der er kendt som en kontaktlinje. Det er, når en partikel udsættes for tre faser af stof - damp væske og en fast partikel. Eksperimenter, selvom, viste, at ingen af ​​disse var svaret.

Nyere undersøgelser tydede på, at frysning sker simpelthen, når overfladerne af to partikler er meget tæt på hinanden. Haji-Akbari testede dette med en teknik, som han for nylig udviklede kaldet jumpy forward-flux sampling, som præcist redegør for et systems fremskridt – såsom dannelsen af ​​is eller sne – selvom mønstrene kan ændre sig betydeligt over en kort periode. Ved at gøre det, hans team af forskere påviste, at nærheden af ​​overflader er nok til at fremkalde frysning, men kun under visse omstændigheder. Specifikt, det sker kun, når der er en væske, der er tilbøjelig til at fryse til overfladen.

"Det, vi viste, er, at for at denne hurtigere kernedannelse kan ske, frysningen ved siden af ​​damp-væske-grænsefladen skal også være hurtigere, selvom der ikke er nogen partikel i denne dråbe, sagde han. Sandelig, de viste, at denne kernedannelse sker endnu hurtigere i ultratynde film af den overfladefrysende væske.

Haji-Akbari sagde, at de teoretiske tilgange, de brugte til denne undersøgelse, kan anvendes til at forstå andre fryseprocesser, fører til information, der kan resultere i bedre vejrudsigter og give værdifuld indsigt for materialeforskere.

"Flere komponenter af disse frysehændelser er ikke godt forstået, herunder kontaktfrysning, " sagde han. "Så næste skridt i vores arbejde er at kunne bygge bedre modeller, hvilket kunne resultere i mere nøjagtige eller pålidelige forudsigelser."