Течни вени: Сигурни ли сте, че знаете как се образуват дупките от лед?

У верете се, че сте оставили въздушно пространство, когато поставяте запечатана бутилка с вода във фризера. Ако пропуснете да обърнете внимание на това предупреждение ще разберете по трудния начин, че водата се разширява, когато се втвърди - и може да счупите нещо в процеса. Подобно разширяване може да обяснени и други случаи на предизвикани от леда разрушения по опустошените от зимата пътища и сгради. Но всъщност образуваните от лед дупки и пукнатини са резултат от процес на растеж на леда, чиито детерминанти са слабо разбирани. Робърт Стил от Швейцарския федерален технологичен институт (ETH) в Цюрих и негови колеги разкриват един от тези фактори - наличието на течни канали в поликристален лед. Откритието може да помогне на учените да разработят точни модели на щетите на инфраструктурата, причинени от замръзване и да помогне на инженерите да разработят стратегии за справяне с този проблем, който коства милиарди долари.

"The unfrozen water-filled channels that crisscross multicrystal ice help feed ice growth, which can lead to fractures in materials such as asphalt and cement."https://t.co/WhkgGe3Vz8@fyfluiddynamics

— Kam-Yung Soh (mstdn.io/@sohkamyung) (@sohkamyung) November 17, 2023

Повечето течности се свиват, когато се втвърдят. Водата обаче е рядко изключение. Когато замръзне се разширява с около 9%. Но се оказва, че този процес на разширяване не играе почти никаква роля в повечето сценарии свързани с щетите, причинени от замръзване, като например когато ледът образува пукнатини в стените на тухлени сгради или дупки в асфалтираните пътища. „Отдавна е известно, че идеята, че подобни щети са резултат от разширяването на водата е погрешно схващане“, каза Стил.

При експерименти с почва изследователите са показали, че бензенът - течност, която се свива, когато замръзне, причинява идентични щети, като тези от замръзналата вода, което показва, че промяната на обема на фазовия преход не е виновникът за разрушенията. Вместо това, основният фактор изглежда е способността на замръзващите течности да „всмукват“ повече течност в зоната на замръзване.

Представете си пълна с вода сламка, разположена хоризонтално върху равна повърхност и подложена на минусови температури от единия й край. Тъй като водата в замръзналия край на сламката се превръща в лед, около кристализиралия материал се развива отрицателно налягане. Това отрицателно налягане предизвиква всмукващо действие, което премества течната вода към заледената зона. Тази засмукана вода след това също замръзва и процесът се повтаря, докато набъбващият леден цилиндър стане твърде широк, за да се побере в сламката и така те се разцепва. Отвъд експеримента в света „този процес може да продължи много дълго време, увреждайки различни материали и структури“, каза Силвен Девил, учен, който изучава различните материали в Университета на Лион 1, Франция. Девил не е участвал в новото проучване, но е съветвал изследователите по време на изграждането на тяхната експериментална настройка.

Учените са измерили скоростта на тази така наречена криосукция в почвата и асфалта, но непрозрачността на тези материали направила невъзможно наблюдаването на процеса в действие. „Без да можем директно да виждаме какво се случва, можехме само да правим предположения“, каза Стил.

Той и колегите му решили проблема с непрозрачността, като произвели прост порест материал от две прозрачни стъклени предметни стъкла. Тези стъкла били разделени от дистанционни елементи, а вътрешността им била шарена със светлинно втвърдяващо се лепило, за да се направи единична пора с дължина и ширина от по няколко милиметра. Те покрили вътрешността на долната страна на пората с тънък слой силикон - мек материал, към който добавили флуоресцентни частици. След това напълнили порите с чиста вода. Охладили единия край на пората, докато нагрявали другия според описания по-горе експеримент със сламката.

Екипът проследил развитието на формата на силиконовия слой като функция на времето, използвайки конфокален микроскоп - инструмент за триизмерни изображения, който използва флуоресцентни маркери за изобразяване на структурите в прозрачни материали. Първоначално силиконът останал непроменен. Но след като цялата вода в студения край на порите се превърнала в лед - в този случай един дълъг леден кристал - екипът наблюдавал как силиконът започнал да се деформира. Тази деформация продължила, докато леденият кристал нараствал по ширина и оказвал силен натиск върху мекия силиконов слой.

Увеличавайки интерфейса силикон-лед, Стил и колегите му забелязали, че между твърдия лед и мекия силикон съществува течен филм с дебелина от няколко нанометра - източникът на течната вода, необходима за разширяването на леда. „Ледът не обича да е в контакт с повечето повърхности“, каза Стил. „Така че между леда и повечето повърхности има празнина, през която може да тече вода.“

Сама по себе си празнината, наблюдавана в експериментите с монокристали била твърде тясна, за да осигури достатъчно вода за отглеждане на лед със скоростта, измерена в предишни експерименти с почва или асфалт. „Процесът беше невероятно бавен“, каза Стил. „Отне пет часа на леда да се сгъсти с няколко микрометра.“ Тази скорост обаче се увеличила драстично, когато екипът отгледал поликристален лед, който конфокалните изображения разкрили, че съдържа много допълнителни пътища, през които да прониква течната вода в замръзналата система. Между всеки леден кристал имало тясна „вена“, която, подобно на пълната с вода празнина над силикона, можела да транспортира водата. „Внезапно се появили всички тези допълнителни канали, които можели да засмукват вода, така че ледът да расте много по-бързо“, каза Стил.

„Това проучване представило резултатите от внимателно изработена серия експерименти, които показват ясната връзка между поликристалността на леда и скоростта на криосукция“, каза Девил. Той добави, че обикновено ледът съдържа множество кристали и това проучване показва, че ако учените искат да разберат микроскопичните механизми зад това как се държи замръзналата вода, те трябва да изследват по-реалистични системи.

Окончателните оценки за повишаване на ефективността вероятно ще зависят от допълнителни, понастоящем неизследвани фактори, като например наличието на разтворени вещества във водата. „И все пак значението на поликристалността при щетите, причинени от лед, може да повлияе например върху дизайна на материалите, използвани при строеж на пътищата“, каза Стил. В допълнение, в градовете, в които често се наблюдават внезапни замръзвания, може да се наложи служителите да бъдат по-бдителни за щети от лед, тъй като по-бързо образуващият се лед обикновено съдържа повече кристали. Така че, когато зимата пристигне неочаквано, внимавайте за нови дупки.