En droppe som faller på en yta som är avsevärt underkyld har visat sig frysa på ett sätt som aldrig tidigare observerats. Istället för den välkända tillväxten av kristaller, en kallare yta resulterar i rörliga cirkulära isfronter. Dessa fronter rör sig ut från mitten till kanten av den frysande droppen. Forskare från University of Twente och Max Planck Center for Complex Fluid Dynamics har visat denna effekt för första gången, och ge en förklaring till den fysiska mekanismen som är involverad i den senaste Förfaranden från National Academy of Sciences .

När regnet faller på en yta som fortfarande är frusen, det gör vägen väldigt hal på kort tid. Detta är ett exempel på vätskedroppar som faller på en yta som har en temperatur under smältpunkten - den är "underkyld". Frysningen av droppen och kristalliseringen framkallar de stjärnformade dendritiska strukturerna som ofta observeras i snöflingor. Om ytan är kallare, dock, droppen fryser inte bara snabbare, men mekanismen förändras, också. På en yta som är tillräckligt kall, ett anmärkningsvärt fenomen inträffar:Från droppens mitt, isfronter rör sig mot kanten medan droppen fortfarande sprider sig. Detta händer upprepade gånger, tills droppen är helt frusen.

Filmar underifrån

UT-forskarna observerade detta genom att filma frysningen av droppen underifrån, exakt på ytan. Laserljus reflekteras vid gränssnittet och filmas med en höghastighetskamera. Detta kallas också total intern reflektion (TIR), och bygger på samma metod som används för att ta fingeravtryck. I experimenten, den fallande droppen är av hexadekan, som har en smältpunkt på 18 grader Celsius. Vågorna observerades när yttemperaturen sänktes till 11 grader under denna punkt.

Internt flöde

I sin teoretiska förklaring i PNAS , UT-forskarna visar att droppen är kallaste vid islagspunkten, det är, i mitten. Kristaller bildas runt detta, men samtidigt, det inre vätskeflödet driver dem till gränserna. Denna process upprepar sig hela tiden tills hela droppen fryser. Studien avslöjar också att temperaturen på ytan förändrar hur den stelnade droppen fäster på ytan, vilket ändrar hur lätt den kan "skalas av".

Forskningen ger inte bara grundläggande insikt i frysningsprocessen, det skulle kunna hjälpa forskare att utveckla anti-isningsytor som de för flygplan. Det kan förbättra 3D-utskriftstekniker som använder stelning av smält vax. Och det kan hjälpa till att utveckla extrem ultraviolett litografi (EUV) för chiptillverkning. Där, smälta metalliska droppar som stelnar på speglar kan hindra hela processen.

Pappret, "Snabbfrysande kinetik inuti en droppe som slår mot en kall yta, " publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).