Известно, что соли кристаллизуются на стенах подвалов или других старых объектов, формируя не непрерывное покрытие, а дискретные области кристаллов. Подобные солевые кристаллы могут привести к серьезным повреждениям механизмов и произведений искусства, но до сих пор исследователи не вполне понимали, как они формируются. Для изучения этого вопроса группа ученых из Франции провела серию экспериментов, а также компьютерное моделирование процесса кристаллизации солей на пористых поверхностях. Их исследования показали, что кристаллы образуют сгустки, а не равномерное покрытие из-за неожиданного эффекта обратной связи. Новые знания об этом процессе, по мнению ученых, в будущем помогут в сохранении старых зданий и произведений искусства.

Солевые отложения можно увидеть в сырых подвалах, старых церквях и даже в некоторых новых бетонных и кирпичных конструкциях. Отложение солей – признак того, что в пористый материал проникла вода из земли или конденсат из окружающей среды. Когда вода испаряется, соль (хлорид натрия или другое вещество, например, гипс), растворенная в жидкости, образует видимые глазу отложения, которые могут привести к повреждениям конструкций, особенно если кристаллы образуются не на внешней поверхности, а внутри ее структуры, вызывая внутренние напряжения. Эта проблема особенно актуальна для реставраторов, пытающихся восстановить фрески и старинные картины, которые иногда целиком скрыты под слоем такой соляной «глазури».

Чтобы лучше понять процесс образования солей, группа ученых из University of Toulouse (Франция) изучила факторы, влияющие на пространственную организацию кристалла соли.

Идея их работы заключалась в том, чтобы найти возможность прогнозировать «соляной» ущерб. И для начала они спланировали эксперимент, имитирующий условия отложения солей.

Ученые создали пористый материал с помощью плотной упаковки стеклянных шариков миллиметрового размера в вертикальный тефлоновый цилиндр диаметром порядка сантиметра. Нижняя часть цилиндра была опущена в раствор хлорида натрия. За счет капиллярных эффектов раствор поднимался до самого верха цилиндра. Когда вода испарялась с его верхней грани, на поверхности стеклянных шариков оставались кристаллы соли.

Как и предполагалось, соль покрывала шарики лишь в отдельных участках. Но также было отмечено, что соль кристаллизуется в основном на периферии, ближе к стенкам цилиндра. Чтобы объяснить это явление, ученые провели расчеты и обнаружили, что

скорость испарения у стенки цилиндра выше, чем около его оси. Степень испарения, в свою очередь, зависит от скорости циркуляции воздуха над верхней гранью цилиндра. Поэтому команда провела серию экспериментов, варьируя этот параметр путем изменения уровня насыпанных стеклянных шариков в цилиндре. Эти эксперименты убедили исследователей в том, что более высокая скорость испарения в определенной области приводит к более интенсивному образованию кристаллов.

После завершения практической стадии исследований, команда повторила процесс в рамках компьютерного моделирования, куда была заложена связь кристаллизации со скоростью испарения жидкости. Представляя пористый материал в виде сети пор случайного размера, соединенных между собой трубками различного диаметра, ученые обнаружили, что некоторые «пути» в таком пористом материале обеспечивают более быстрый поток жидкости. Следовательно, кристаллы образуются на поверхности около таких пор. Но, вместо блокирования пор, кристаллы увеличивают скорость испарения, создавая большую площадь поверхности, с которой испаряется жидкость.

По итогам проведенных экспериментов команда разработала количественные модели, предсказывающие области и скорость формирования соляных отложений. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.

По мнению исследователей, результаты их работы в будущем помогут сохранять произведения искусства, правильно направляя потоки влаги.