Japońscy badacze odkryli lód 0, nowy rodzaj lodu, który tworzy się w pobliżu powierzchni wody, potencjalnie redefiniując wiedzę naukową i wpływając na technologię i badania klimatyczne. (Koncepcja artysty). Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z Japonii odkryli nową formę lodu zwaną lodem 0, która może zapoczątkować tworzenie się kryształków lodu w przechłodzonej wodzie. Ich badania pokazują, że zarodkowanie lodu może zachodzić w pobliżu powierzchni kropelek wody w wyniku struktur podobnych do lodu 0, co rozwiązuje długotrwałą debatę. Odkrycia te mają znaczące implikacje dla różnych dziedzin, w tym badań klimatycznych i nauk o żywności, ponieważ pogłębiają naszą wiedzę na temat powstawania lodu.
Lód jest o wiele bardziej złożony, niż większość ludzi zdaje sobie sprawę, a nauka zidentyfikowała ponad 20 różnych jego odmian, które powstają pod wpływem różnych kombinacji ciśnienia i temperatury. Rodzaj lodu, którego używamy do chłodzenia naszych napojów, znany jako lód I, jest jedną z niewielu form występujących naturalnie na Ziemi. Niedawno badacze z Japonii odkryli inny typ: lód 0, niezwykłą formę lodu, która może inicjować tworzenie się kryształków lodu w przechłodzonej wodzie.
Tworzenie się lodu w pobliżu powierzchni ciekłej wody może rozpocząć się od maleńkich prekursorów kryształów o strukturze podobnej do rzadkiego rodzaju lodu, znanego jako lód 0. W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczanaukowcy z Wydziału Badań nad Współpracą Społeczną „Nauka o ochronie przed zamarzaniem” w Instytucie Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego wykazali, że te struktury podobne do lodu mogą powodować zamarzanie kropli wody w pobliżu jej powierzchni, a nie w jej rdzeniu. To odkrycie rozwiązuje długoletnią zagadkę i może pomóc na nowo zdefiniować nasze rozumienie powstawania lodu.
Proces zarodkowania lodu
Krystalizacja lodu, znana jako zarodkowanie lodu, zwykle zachodzi niejednorodnie, czyli innymi słowy, na stałej powierzchni. Zwykle oczekuje się, że stanie się to na powierzchni pojemnika z wodą, gdzie ciecz spotyka się ze ciałem stałym. Jednak nowe badania pokazują, że krystalizacja lodu może również zachodzić tuż pod powierzchnią wody, gdzie styka się ona z powietrzem. Tutaj lód zarodkuje się wokół małych prekursorów o tej samej charakterystycznej strukturze pierścieniowej co lód 0.
„Symulacje wykazały, że kropelka wody z większym prawdopodobieństwem krystalizuje w pobliżu swobodnej powierzchni w warunkach izotermicznych” – mówi główny autor badania Gang Sun. „To rozwiązuje długotrwałą debatę na temat tego, czy krystalizacja zachodzi łatwiej na powierzchni, czy wewnętrznie”.
Naukowcy z Instytutu Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego odkryli, że lód zaczyna tworzyć się w pobliżu powierzchni wody poprzez struktury podobne do rzadkiego, niedawno odkrytego rodzaju lodu, co pomaga nam lepiej zrozumieć powstawanie lodu. Źródło: Instytut Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego
Prekursory lodu 0
Prekursory lodu 0 mają strukturę bardzo podobną do przechłodzonej wody, dzięki czemu cząsteczki wody łatwiej się z niej krystalizują, bez konieczności bezpośredniego formowania się w strukturę zwykłego lodu. Drobne prekursory lodu 0 powstają samoistnie, w wyniku działania podciśnienia wywołanego napięciem powierzchniowym wody. Gdy z tych prekursorów rozpocznie się krystalizacja, struktury podobne do lodu 0 szybko przekształcają się w bardziej znany lód I.
Starszy autor, Hajime Tanaka, podkreśla szeroko zakrojone implikacje tego badania, zauważając, że: „Oczekuje się, że odkrycia dotyczące mechanizmu powierzchniowej krystalizacji wody wniosą znaczący wkład do różnych dziedzin, w tym badań klimatycznych i nauk o żywności, gdzie krystalizacja wody odgrywa ważną rolę kluczową rolę.”
Bardziej szczegółowe zrozumienie lodu i sposobu jego powstawania może zapewnić bezcenny wgląd w różne obszary badań. Prace te mogą mieć szczególne znaczenie na przykład w meteorologii, gdzie tworzenie się lodu za pośrednictwem prekursorów podobnych do lodu 0 może mieć znacznie bardziej zauważalny wpływ na małe kropelki wody, takie jak te znajdujące się w chmurach. Zrozumienie lodu może przynieść korzyści również w technologii, od nauk o żywności po klimatyzację.
Odniesienie: „Krystalizacja wody wywołana powierzchnią napędzana przez prekursory utworzone w obszarach podciśnienia”, Gang Sun i Hajime Tanaka, 26 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50188-1
