|
Даже при температуре ниже нуля лёд начинает таять
|
|
|
|
Физика полна загадок. Чтобы найти несколько достойных внимания, достаточно посмотреть на кубик льда. При комнатной температуре, конечно, кубик будет таять на глазах. Но даже при температуре ниже нуля лед может смещаться едва заметным образом, и ученые все еще пытаются это понять. Используя инструменты визуализации в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), исследователи обнаружили явление, известное как предварительное плавление, при температурах, намного более низких, чем те, которые наблюдались ранее. Их выводы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Преждевременное таяние является причиной того, что кусок льда может быть скользким даже в холодный ясный день. Хотя пятно заморожено, некоторая часть поверхности влажная — идея, впервые высказанная Майклом Фарадеем в середине 1800-х годов. Идея о предварительно расплавленном, похожем на жидкость слое на льду открывает другие давние вопросы о том, как вода превращается из жидкости в твердое состояние и в пар — и как при определенных условиях она может быть всеми тремя одновременно.
|
|
|
|
В недавнем исследовании ученые исследовали кристаллы льда, образовавшиеся при температуре ниже минус 200 градусов по Фаренгейту. Команда использовала Аргоннский центр наноразмерных материалов (CNM), пользовательский центр Министерства энергетики США, для выращивания и наблюдения ледяных нанокристаллов, размер которых составляет всего 10 миллионных долей метра. Помимо того, что исследование раскрывает природу воды при минусовых температурах, оно демонстрирует метод изучения чувствительных образцов в деталях на молекулярном уровне: низкодозную трансмиссионную электронную микроскопию с высоким разрешением (TEM). TEM направляет поток электронов, которые являются субатомными частицами, на объект. Детектор создает изображение, фиксируя, как электроны рассеиваются от объекта.
|
|
|
«Некоторые материалы чувствительны к лучу. Когда вы используете электронный луч для их изображения, они могут быть изменены или уничтожены», — сказал Цзяньго Вэнь, ученый-материаловед из Аргонна и ведущий автор статьи. Одним из примеров материалов, чувствительных к электронному пучку, являются электролиты, которые обменивают заряженные частицы в батареях». Возможность детального изучения их без нарушения их структуры может помочь в разработке более совершенных батарей. Но для начала исследователи экспериментируют с методом TEM с низкими дозами на замороженной воде. В конце концов, вода дешева и в изобилии. Более того, Вэнь сказал: «Лёд очень сложно визуализировать, потому что он очень нестабилен под действием пучка высокоэнергетических электронов. Если мы успешно продемонстрируем эту технику на льду, визуализация других материалов, чувствительных к лучу, будет проще простого».
|
|
|
|
Метод низких доз сочетает в себе TEM с коррекцией аберраций CNM и специализированную камеру прямого обнаружения электронов. Система чрезвычайно эффективна при захвате информации от каждого электрона, попадающего в образец, поэтому можно получить изображение с высоким разрешением, используя меньшее количество электронов, что наносит мишени меньший ущерб, чем традиционный подход TEM. Низкий уровень воздействия электронов позволяет захватывать такие хрупкие объекты, как кристаллы льда, на месте или в окружающей их среде. Исследовательская группа использовала жидкий азот для выращивания кристаллов льда на углеродных нанотрубках при температуре 130 градусов Кельвина или минус 226 градусов по Фаренгейту. Предыдущие исследования наблюдали предварительное плавление вблизи тройной точки воды. В тройной точке температура чуть выше нуля, а давление настолько низкое, что лед, жидкость и водяной пар могут существовать одновременно. При температуре и давлении ниже тройной точки лед сублимирует непосредственно в водяной пар.
|
|
|
|
«Правила» поведения воды часто аккуратно суммируются в простой фазовой диаграмме, которая отображает различные состояния воды при различных сочетаниях температуры и давления. «Но реальный мир гораздо сложнее, чем эта простая фазовая диаграмма», — сказал Тао Чжоу, ученый-материаловед из Аргонна и еще один автор статьи. «Мы показали, что предварительное плавление может произойти далеко внизу кривой, хотя мы не можем объяснить, почему». На видео, снятом во время эксперимента, можно увидеть, как два отдельных нанокристалла растворяются друг в друге, когда лед нагревается под постоянным давлением до 150 градусов Кельвина, или минус 190 градусов по Фаренгейту. Хотя лед все еще был ниже нуля, он образовал квазижидкий слой. Эта сверхвязкая вода не укладывается в число простых линий фазовой диаграммы, где вода переходит непосредственно из льда в пар. Исследование поднимает интригующие вопросы, которые могут быть изучены в будущих работах. Какова точная природа жидкоподобного слоя, который увидели исследователи? Что произойдет, если давление повысится вместе с температурой? И прокладывает ли этот метод путь к появлению «ничейной земли», состояния, когда переохлажденная вода внезапно кристаллизуется из жидкости в лед? Многовековые научные исследования многих состояний воды продолжаются.
|
|
|
|
Источник
|
