Vetenskaplig utredning börjar ofta med "varför".

Utan att förvänta dig att göra mer än att svara på en fråga från en YouTube -video, Forskare från Virginia Tech kan ha förändrat hur människor tänker om processen att frysa.

Ledande Virginia Tech -forskare Jonathan Boreyko, en biträdande professor i maskinteknik vid College of Engineering, och hans forskarstudenter tittade på en YouTube-video av en såpbubbla som fryser. Den fascinerande synen på iskristaller som svävade runt bubblan fick ingenjörerna att undra vad som orsakade fenomenet.

Boreyko och studentforskare Farzad Ahmadi och Saurabh Nath, både doktorander i ingenjörsmekanik, och Christian Kingett, en forskare inom ingenjörsvetenskap och mekanik som tog examen 2019, genomförde litteraturforskning och fann att ingen någonsin hade studerat hur tvålfilmer eller bubblor fryser.

Resultaten av teamets fråga, som började som ett enkelt "varför, " har publicerats i tidskriften Naturkommunikation , förklarar fysiken bakom vad som gör att iskristallerna hoppar upp i bubblan och virvlar runt, därmed förändrar uppfattningen om processen att frysa.

"Vi började med att frysa en bubbla i labbet, använda ett fruset substrat, " Boreyko förklarade. "Vad vi fann var att bubblan skulle frysa från botten till en viss punkt och sedan sluta. Vi fick inte den här fina "snöklotseffekten" som vi såg på videon. Men, Farzad gjorde en fin modell som exakt kan förutsäga var frysfronten kommer att sluta baserat på bubblans storlek och lufttemperaturen. "

Eftersom skalet på en bubbla är mikroskopiskt tunt, den varma lufttemperaturen i labbet hindrade det kalla stadiet från att helt frysa bubblan. Flytta till en walk-in frys, laget försökte experimentet igen, de trodde att de skulle upptäcka hur de flytande iskristallerna bildades.

"Vi såg det inte i frysen, antingen, i början, " Sa Boreyko. "Men vi försökte igen att avsätta bubblan på is istället för ett torrt substrat, och det var där vi såg vad vi letade efter. "

Vid minus 20 grader Celsius och med ett issubstrat, bubblan fylldes snabbt med flytande kristaller som påskyndade den fullständiga frysningen av bubblan, och öppnade forskarens ögon.

"När du lägger bubblan på ett isigt underlag, bubblan börjar frysa, som släpper ut värme, " sa Ahmadi. "Bubblans botten, I detta fall, blir varmare än resten av bubblan-det är frysningsinducerad uppvärmning. "

Den molekylära energin frigörs när vattenmolekylerna smälter samman till ett tätt packat fast gitter skapade en temperaturskillnad på cirka 14 grader – minus 20 på toppen av bubblan och minus 6 grader vid den frusna basen.

"Temperaturgradienten från topp till botten ändrade ytspänningen, "Sade Ahmadi." Spänningen skapade ett flöde från det varma mot det kalla. "

Detta flöde är känt som Marangoni Flow. När det uppstår i de frysande bubblorna, flödet river iskristaller från bubblans botten och virvlar runt det flytande skalet där de förstoras tills hela bubblan är frusen.

"Tidigare trodde vi att hur snabbt vi kunde frysa något berodde på hur snabbt frysfronten kunde växa, "Boreyko sa." Detta visar oss att ett frysningsinducerat Maragoni Flow kommer att skapa hundratals ytterligare frysfronter från iskristallerna som tas bort från botten. Så, vi insåg att det inte bara är hur snabbt en front växer, men i fall som vår bubbla, du kan manipulera systemet så att hundratals frysfronter arbetar tillsammans för att frysa något mycket snabbare."