Невероятное открытие меняет представление о природе образования льда

Фото: Anton Tamtögl of Graz University of Technolog

Когда вода превращается в лед, свободные молекулы воды внезапно перестают двигаться и начинают образовывать кристаллы льда, соединяясь вместе. Но, как стало недавно известно ученым, им для этого нужно немного тепла, сообщает Livescience

Именно так, чтобы превратить воду в лед действительно нужно дополнительное тепло. Ученые сделали такое открытие, наблюдая за движением отдельных молекул воды, нанесенных на холодную поверхность графена.

Ученые использовали метод, называемый спин-эхо гелия, впервые разработанный в Кембриджском университете. Ученые стреляют пучком атомов гелия по молекулам воды, а затем наблюдают, как атомы гелия рассеиваются, когда они врезаются в формирующийся лед.

"Этот метод похож на действие радара, который использует радиоволны для определения скорости движения автомобиля по шоссе", говорит Антон Тамтегль, научный сотрудник Института экспериментальной физики Технологического университета Граца в Австрии. "Это больше похоже на радар-ловушку для молекул на атомном уровне".

Этот метод не только позволил ученым получить данные о каждом атоме в своих экспериментах, но также помог им зафиксировать самую раннюю стадию образования льда, известную как "нуклеация", когда молекулы воды впервые начинают объединяться в лед.

"Нуклеация происходит очень быстро, в пределах доли миллиардной секунды, и в результате этого многие исследования образования льда сосредоточены на периоде времени сразу после нуклеации, когда участки льда уже сформировались и начали соединятся в своего рода толстую пленку", — говорит Тамтегл.

"Ученые с помощью обычных микроскопов не могут зафиксировать то, что происходит в начале нуклеации, потому что инструменты не способны делать снимки достаточно быстро, чтобы не отставать от быстрых молекул воды",- говорит он.

Исследователи иногда замедляют это молекулярное движение, применяя жидкий азот в своих экспериментах, понижая температуру примерно до минус 250 градусов по Цельсию, но если вы хотите наблюдать замерзание льда при более высоких температурах, то вам нужно использовать это спин-эхо, — говорит Тамтегл. В своих собственных экспериментах команда охлаждала поверхность графена до температуры от минус 173 ° C до минус 143 ° C.

Но когда команда применила спин-эхо гелия к молекулам воды, нанесенным на графен, они обнаружили кое-что нелогичное.

"Для нас сюрпризом то, что молекулы воды "не любят друг друга", — говорит Тамтегл. Когда ученые полили водой поверхность графена, молекулы сначала отталкивали друг друга, сохраняя определенное расстояние.

"Им пришлось как бы преодолеть этот барьер, прежде чем они смогли сформировать кусочки льда на поверхности графена", — говорит он. Чтобы лучше понять природу этой силы отталкивания и то, как молекулы преодолевают ее, команда создала вычислительные модели, чтобы отобразить взаимодействия молекул воды в различных конфигурациях.

Моделирование показало, что при помещении на холодный графен все молекулы воды ориентируются в одном направлении, причем два их атома водорода направлены вниз (атомы водорода в молекуле воды выступают от центрального атома кислорода, как два мышиных уха). Эти молекулы воды группируются вместе на поверхности графена, но из-за их ориентации между ними все еще остается пустое пространство в несколько молекул.

Чтобы соединиться в кристаллы льда, молекулы должны немного сблизиться друг с другом и вырваться из своей однородной ориентации. "Это то, что формирует барьер, для преодоления которого нужна энергия в виде тепла", — говорит Тамтегл.

Добавляя тепла, ученые обнаружили, что они могут подтолкнуть молекулы воды друг к другу и позволить им перестроится и образовать, в конечном итоге, лед.

Все эти взаимодействия происходят в невероятно короткие сроки, поэтому эта короткая борьба за преодоление барьера проходит в мгновение ока.

Тамтегл и его коллеги планируют изучить, происходит ли зарождение льда одинаковым образом на разных поверхностях. Например, так называемый "белый графен", также известный как гексагональный нитрид бора, имеет структуру, аналогичную нормальному графену, но образует более прочные связи с молекулами воды, поэтому нуклеация на поверхности такого типа может происходить медленнее, говорит ученый.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform