I en ny studie har forskare observerat frysning av saltvattendroppar på molekylär nivå, vilket ger nya insikter för avisnings- och anti-isningsteknik. Tvärtemot konventionella visdomar överensstämmer dessa droppar inte med de typiska frysmönster som observeras i rent vatten.
Forskargruppen, vars studie publicerades i Nature Communications , utförde experiment för att avslöja bildandet av en saltvattenfilm ovanpå de frusna havsvattendropparna, vilket tidigare inte hade rapporterats.
Detta åtföljdes av uppkomsten av iskristaller från botten av saltlösningsfilmen, som växer tills de tränger igenom toppen av droppen i ett fenomen som kallas "isskottning". Dessa validerades med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik (MD)
De genomförde vidare ett analogt experiment för att mäta hastigheten för isutfällning och kondensation, vilket stödde den föreslagna mekanismen.
Frysning av rena vattendroppar följer vanligtvis en välkänd process där droppen gradvis svalnar tills den når sin fryspunkt. Sedan bildas och växer iskristallerna och tar en solid isstruktur med en singulär, spetsig spets.
Å andra sidan introducerar frysningen av saltvattendroppar ytterligare komplexitet. När droppen fryser påverkar saltkoncentrationen inuti fryspunkten, vilket vanligtvis sänker den jämfört med rent vatten. Detta gör också att den spetsiga spetsen på droppen försvinner, vilket rapporterats i tidigare forskning.
Isbildningsprocessen, som hänvisar till ackumulering av is på ytor eller föremål på grund av att vattendroppar fryser, kan orsaka skador på flera processer, såsom navigering, flyg och infrastruktur.
Saltvattendroppars beteende introducerar dock ytterligare överväganden. Närvaron av ett saltlakelager kan påverka vidhäftningen av den frusna droppen till ytor, vilket potentiellt påverkar anti-isningsstrategier eller ytbeläggningar utformade för att mildra isbildning.
Studiens första författare, Dr. Fuqiang Chu, en docent vid University of Science and Technology, Peking, talade med Phys.org om deras arbete.
"Jag är nyfiken på fenomenet isbildning och började studera det medan jag fortsatte med min doktorsexamen. Jag tror dock att folk inte kunde förstå detta fenomen till fullo förrän nu, särskilt när man använder en binär droppe, till exempel en saltdroppe."
"I det här arbetet studerade vi processen för frysning av saltdroppar och försökte upptäcka det unika med frysning av saltdroppar jämfört med rena vattendroppar", säger Dr Chu.
För att studera saltvattens frysprocess använde forskarna saltvatten med varierande saltkoncentrationer. De använde en halvledarkylningsmodul för att ge kontrollerad kylning, så att de kunde justera yttemperaturen under dropparnas fryspunkt.
Saltvattendroppar injicerades på experimentytan, där de genomgick frysningsprocessen. Höghastighetsmikrofotografering användes för att registrera och analysera isbildningsfenomenen, inklusive vätskefilmbildningen ovanpå frusna droppar.
De observerade närvaron av koncentrerad saltlösning i de frusna salta dropparna, vilket tyder på ofullständig frysning, vilket skiljer sig från frysning av rena vattendroppar.
Baserat på temperaturmätningar har forskarna tagit fram en metod för att förutsäga hur länge salta droppar fryser. De korrelerade utseendet av en flytande film ovanpå frusna droppar med slutet av frysningsprocessen, vilket ger en visuell indikator för bestämning av frystiden.
MD-simuleringarna användes sedan för att validera och komplettera de experimentella resultaten genom att erbjuda ett perspektiv på molekylär nivå, vilket gjorde det möjligt för forskare att förstå de underliggande mekanismerna som driver de observerade fenomenen.
MD-simuleringarna syftade till att reproducera de experimentella observationerna och ge ytterligare insikter om de molekylära interaktionerna som inträffar under droppfrysning genom att simulera beteendet hos joner, vattenmolekyler och frysgränssnitt på nanoskala.
Forskarna observerade bildandet av ett saltlakelager ovanpå den frusna droppen. Detta lager förhindrar bildandet av en spetsig spets och upprätthåller en stabil temperatur i droppen.
"Efter bildandet av saltlösningsfilmen börjar några iskristaller att spira i botten av filmen, vilket är mycket likt processen för groning av fröer. Detta isgroningsfenomen förvånade mig och fick mig att känna att dropparna levde och fostra ett nytt liv", sa Dr. Chu.
Detta unika fenomen resulterar i punktering av brinefilmen och ytterligare iskristalltillväxt i luften.
Isskottningsfenomenet styrs av gränssnittskondensering på den mättade brinefilmen under fuktiga luftförhållanden.
Med andra ord, eftersom temperaturen på brinefilmen är lägre än den omgivande luftens daggpunkt (den temperatur vid vilken luften blir mättad med vattenånga), får det vattenånga från luften att kondensera vid gränsytan mellan brinefilmen.
Detta kondenserade vatten späder ut saltlösningsfilmen och stör dess balans eller jämvikt. Som en konsekvens av denna utspädning blir saltlösningsfilmen övermättad med salt, vilket leder till utfällning av iskristaller inifrån filmen. Iskristallerna som bildas i saltlösningsfilmen ökar dess saltkoncentration, och återmättar därigenom saltlakefilmen vid dess temperatur.
"Detta tyder på att miljöfuktighetseffekten inte kan ignoreras när man studerar fasövergången eller kristalliseringsprocessen för lösningar", tillade Dr. Chu.
Utöver dessa två observerade fenomen föreslog forskarna en universell definition av frysningstid för att kvantifiera isbildningshastigheten för droppar med varierande saltkoncentrationer. Detta är en viktig parameter för att utvärdera prestandan hos anti-isningsytor och tekniker.
"Med vår definition av frysningstid för salta droppar kan forskare kanske kvantitativt utvärdera prestandan hos deras anti-isningsmetoder mot salta droppar. Detta kan vara till hjälp för utvecklingen av marina anti-isningstekniker", förklarade Dr Chu.
Att identifiera bildandet av saltlösningsfilmen ovanpå frusna droppar ger forskare ett standardiserat sätt att markera slutet på frysningsprocessen, vilket gör det lättare att mäta och jämföra droppfrysningsbeteende.
På tal om potentiella tillämpningar för anti-isningsteknik, nämner Dr. Chu att sänka vidhäftningen av de frusna saltvattendropparna.
"För en saltvattendroppe manifesteras hela isbildningsprocessen som slumpmässig tillväxt av iskristaller, och det finns koncentrerad saltlösning kvar i iskristallernas sprickor."
"Som ett resultat beror vidhäftningen av frusna saltvattendroppar inte bara på kontaktytan utan relaterar också till tillväxtorienteringen av isdendriter och fördelningen av koncentrerad saltlösning. Dessa kan kontrolleras genom att ställa in positionen för kärnbildningsställena (initial formation). för att få en låg isvidhäftning", förklarade Dr. Chu.
Mer information: Fuqiang Chu et al, Gränssnittsis som spirar under frysning av saltvattendroppar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46518-y.
Journalinformation: Nature Communications
© 2024 Science X Network
