Ett kombinerat team av materialvetare och ingenjörer från det schweiziska federala tekniska institutet och Yale University, har via labbexperiment visat hur vattenfyllda kanaler som korsar multikristallis kan leda till sprickor i material som cement och asfalt. I deras artikel publicerad i tidskriften Physical Review Letters , beskriver gruppen de experiment de gjort med genomskinliga föremål, vatten och silikon, för att visa hur vätskekanaler i is kan leda till sprickor i porösa material.
Vatten, till skillnad från andra vätskor, expanderar när det fryser. Detta beror på den unika formen av vattenmolekyler och vinklarna som bildas mellan dem när vatten fryser. Sådan expansion får ofta skulden för skador på material som vägar och uppfarter, men som forskarna påpekar beror sådana skador på iskristalltillväxt, inte på vattenexpansion. Så teamet undersökte kristalltillväxt för att fastställa hur den orsakar skada.
När forskarna noterade att i den verkliga världen uppstår de flesta sådana skador i ogenomskinliga material, såsom betong och asfalt, vilket gör det mycket svårt att studera processen när den händer, och forskarna tog ett annat tillvägagångssätt. De skapade en miljö där alla material skulle bete sig på samma sätt men också var transparenta.
Teamet började med två glasskiva åtskilda av distanser. De gjorde sedan en enda liten por med ett ljushärdbart lim - bara millimeter långt och brett. Därefter täckte de insidan av undersidan av poren med ett tunt lager silikon, som de prickade med fluorescerande partiklar innan de lät den stelna. Sedan fyllde de poren med vatten.
Med sin apparat byggd kylde de sedan bara ena änden av poren de hade gjort medan de värmde upp den andra änden. Och sedan såg de händelserna med hjälp av ett mikroskop. De fann att när vattnet i den kylda änden frös, började silikonet att deformeras och när det gjorde det blev iskristallen som hade bildats i poren större runt omkring och när den gjorde det utövade den ett tryck på silikonlagret.
En närmare titt på silikonlagret visade att en hinna av vatten kvarstod mellan isen och silikonen, vilket fungerade som källan till nytt vatten för fortsatt expansion, vilket ledde till den typ av skador som ses i material som cement och asfalt.
Mer information: Dominic Gerber et al, Polycrystallinity Enhances Stress Buildup around Ice, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.208201
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2023 Science X Network
