Японські фізики з’ясували, що утворення льоду біля поверхні рідкої води може починатися з крихітного прекурсора зі структурою, схожою на “нульовий” лід.
Попри постійну присутність води в нашому житті, процес її кристалізації залишається загадковим. Відомо приблизно два десятки структурних різновидів льоду, з яких лише один — лід-I — утворюється за звичайних для Землі умов. Японські вчені з Інституту прикладних наук Токійського університету виявили, що переохолоджена вода може перетворюватися на лід через проміжну стадію, де формується структура, схожа на “нульовий” лід.
Одна з властивостей води — здатність переохолоджуватися без кристалізації. В чистому стані її можна охолодити до мінус 40 градусів Цельсія, і вона залишатиметься рідкою, що часто спостерігається в атмосферних хмарах. У 2014 році професор Хадзіме Танака і Джон Руссо встановили, що переохолоджена вода не може перетворитися на лід-I через незвичне розташування молекул. Натомість структура льоду-0 і переохолодженої води схожі, що робить його попередником льоду-I.
У новій науковій роботі, опублікованій у журналі Nature Communications, Танака і його колеги показали, що лід-0 може запускати кристалізацію води поблизу поверхні. Моделювання показало, що краплі води легше кристалізуються біля вільної поверхні за ізотермічних умов, розв’язуючи давню суперечку про те, де зароджується кристалізація — на поверхні чи зсередини.
Кристалізація води, або зародження крижаних ядер, зазвичай відбувається на твердій поверхні, наприклад, у ємності, де рідина контактує зі стінкою. Проте нове дослідження показує, що крижані ядра можуть з’являтися просто під поверхнею, де вода стикається з повітрям. Ці зародки мають структуру, схожу на округлі структури льоду-0.
Поява льоду-0 полегшує кристалізацію переохолодженої води. Крихітні прекурсори льоду-0 виникають спонтанно через негативний тиск, спричинений поверхневим натягом води. Як тільки кристалізація починається, лід-0 швидко змінює структуру на лід-I.
Відкриття механізму утворення льоду-0 має важливе значення для багатьох галузей, включно з кліматологією, агрономією та метеорологією. Кристалізація води відіграє критичну роль в утворенні атмосферних хмар і технологічних процесах, таких як кондиціонування повітря. Це дослідження допоможе краще зрозуміти і контролювати процеси, пов’язані з кристалізацією води.