Полученные данные перевернули предыдущее понимание образования льда
С помощью новой экспериментальной техники и компьютерного моделирования Тамтогл и группа исследователей из Кембриджского и Суррейского университетов смогли отследить первый этап образования льда на поверхности графена. В статье, опубликованной в Nature Communications, они сделали замечательное наблюдение, что молекулы воды отталкиваются друг от друга и им необходимо получить достаточно энергии, чтобы преодолеть это отталкивание, прежде чем лед сможет начать формироваться: он должен, так сказать, стать горячим, прежде чем лед образуется.
Говоря в общем смысле, ведущий автор Антон Тамтогл говорит, что «отталкивание между молекулами воды просто не учитывалось при зарождении льда – эта работа все изменит."
После «танца» молекул воды
Эффект был обнаружен с помощью метода спин-эхо гелия (HeSE) – метода, разработанного в Кавендишской лаборатории в Кембридже и специально разработанного для отслеживания движения атомов и молекул. Машина рассеивает гелий от движущихся молекул на поверхности, подобно тому, как радиоволны рассеиваются от транспортных средств в радарной ловушке.
Регистрируя количество рассеянного гелия и их энергию / скорость после рассеяния, он позволяет отслеживать движение атомов и молекул.
Эксперименты HeSE показывают, что молекулы воды на поверхности графена, i.е. один атомный слой углерода, отталкивают друг друга.
Отталкивание возникает из-за того же расположения молекул перпендикулярно поверхности. Сценарий аналогичен соединению двух магнитов с одинаковыми полюсами вместе: они раздвигаются. Чтобы зародыш льда начался, одна из двух молекул должна переориентировать себя, только тогда они смогут приблизиться друг к другу. Такая переориентация требует дополнительной энергии и, таким образом, представляет собой барьер, который необходимо преодолеть для роста кристаллов льда.
Вычислительное моделирование, в котором отображалась точная энергия молекул воды в различных конфигурациях и рассчитывались взаимодействия между молекулами, расположенными рядом друг с другом, подтверждают экспериментальные результаты. Более того, моделирование позволяет «включать» и выключать отталкивание, обеспечивая тем самым дополнительное доказательство эффекта. Сочетание экспериментальных и теоретических методов позволило международной научной группе выяснить поведение молекул воды. Он впервые фиксирует, как именно развивается первая стадия образования льда на поверхности, и позволил им предложить ранее неизвестный физический механизм.
Актуальность для других областей и приложений
Группа также предполагает, что недавно наблюдаемый эффект может проявляться более широко на других поверхностях. «Наши результаты открывают путь к новым стратегиям контроля образования льда или предотвращения обледенения», – говорит Тамтогл, думая, например, об обработке поверхности специально для ветроэнергетики, авиации или телекоммуникаций.
Понимание микроскопических процессов, действующих во время образования льда, также важно для прогнозирования образования и таяния льда, от отдельных кристаллов до ледников и ледяных щитов. Последнее имеет решающее значение для нашей способности количественно оценить трансформацию окружающей среды в связи с изменением климата и глобальным потеплением.
Эта область исследований привязана к Области знаний «Передовое материаловедение», одному из пяти исследовательских центров Технического Университета Граца.