Исследователи из Хьюстонского университета продемонстрировали зависимость размера капель при фазовых переходах из воды в лед на поверхности наномембран из анодированного оксида алюминия (AAO). Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Исследование: замерзание капель воды в несколько нанометров. Изображение предоставлено: Mario7 / Shutterstsock.com

При масштабе менее 10 нм температура превращения сильно зависит от размера капель воды. На 2 нанометрах эта температура опускается ниже предела однородной объемной нуклеации.

В большинстве природных и промышленных сред фазовые переходы воды в лед происходят на неоднородных поверхностях, то есть когда капли воды контактируют с другой средой.

Понимание этого явления приведет к впечатляющим достижениям в технологии биомимитации с критически важными приложениями в системах защиты от обледенения для авиации, инфраструктуры и даже систем криоконсервации.

Краткое руководство по нуклеации

Зарождение ядра – это первый шаг в процессе формирования новой термодинамической фазы или новой структуры посредством самоорганизации. Обычно это время, необходимое для появления новой фазы или структуры.

Время первичной нуклеации определяет время, необходимое для образования первых ядер кристалла. В то время как вторичное зародышеобразование зависит от предварительного образования кристаллов, первичное зародышеобразование – нет. Для образования кристаллов необходимы как первичное, так и вторичное зародышеобразование, но их механизмы различны.

Было обнаружено, что процесс зародышеобразования зависит от примесей в системе. Таким образом, мы можем различать два типа зародышеобразования: гомогенное зародышеобразование происходит вдали от поверхности, тогда как гетерогенное зародышеобразование происходит на поверхности.

В термодинамически замкнутых системах свободная энергия Гиббса описывает максимальное количество работы без расширения, которая может быть извлечена из системы. Вдали от поверхности остается меньше свободной энергии для образования кристаллов, и поэтому гомогенное зародышеобразование происходит медленнее (и менее распространено), чем гетерогенное зародышеобразование.

Снижение предела замерзания неоднородных наноповерхностей

<img alt=" Преодолевая предел замерзания воды "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38356_16391416989153920.png "style =" width: 1200 "width =" 477 "height =" 176 "/>

Зависимость преобразования воды в лед от длины в гетерогенном режиме. Для капель воды размером 2 нм гетерогенная нуклеация может нарушить предел объемной гомогенной нуклеации. b Схема нанокапли, сформированной в ограниченной геометрии и окруженной нефтяной средой, где зародышеобразование льда происходит на границе раздела мягкая нефть-вода. Зарождение льда изменяет локальную кривизну границы раздела нефть-вода. Изображение предоставлено: Хакимиан А. и др.

Исследователи из Хьюстонского университета изучили образование кристаллов льда с геометрическими размерами до 2 нм.

Нанокапли воды образовывались внутри пор мембран из анодированного оксида алюминия (AAO). Мембраны имели диаметр 1 см и толщину от 50 до 60 мкм. Толщина мембраны определяет длину (размер) пор, а диаметр пор составляет от 2 до 150 нм.

За исключением мембран толщиной 2 и 5 нм, поры были равномерно (изотропно) распределены по толщине мембраны: мембраны толщиной 2 и 5 нм состояли из двух слоев с разными размерами пор.

Нанокапли воды были погружены в среду с октановым маслом, чтобы они могли образовывать границу раздела вода-масло. Таким образом, на этой границе могло быть инициировано зарождение льда. Поскольку температура фазового превращения октана из твердой фазы в жидкую (при -57 ° C) значительно ниже температур, рассмотренных в исследовании, это не повлияет на наблюдаемые результаты.

Поскольку электрическая проводимость воды и льда различается на три порядка, команда смогла обнаружить фазовые переходы между водой и льдом с помощью четырехзондового метода. Они также использовали инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) для независимой проверки своих результатов.

Используя типичные мембраны с порами 150 нм, команда постепенно снижала температуру со скоростью 0,3 ° C в минуту и ​​измеряла вольт-амперные кривые при каждой температуре.

По мере того, как температура снижалась, сопротивление в порах линейно увеличивалось, показывая влияние температурных изменений на удельное электрическое сопротивление. Однако между -9 ° C и -11 ° C произошел сильный нелинейный сдвиг электрического сопротивления. Этот скачок указывает на фазовое превращение воды в лед внутри пор.

Метод электропроводности также использовался на мембранах с размером пор 10, 20, 40 и 80 нм. Также были обнаружены нелинейные сдвиги в электрическом сопротивлении, но при разных температурах, что свидетельствует о зависимости температур превращения от размера капель.

Команда также заметила, что фазовое превращение вода-лед при размере пор 2 нм происходит при более низких температурах (-41 ° C), чем при гомогенной объемной нуклеации (примерно -38 ° C). Важно отметить, что они показали, что в масштабе нескольких нанометров мягко изогнутая граница раздела нефть-вода играет решающую роль в подавлении образования льда.

Это открывает новые возможности для изучения образования льда на неоднородных поверхностях в промышленных, медицинских и других средах.

Ссылка

Хакимиан, А., и др. (2021) Замораживание капель воды размером несколько нанометров. Nature [online] 12, 6973. Доступно по адресу: https://www.nature.com/articles/s41467-021-27346-w[19459005visible

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.