Коллектив физиков из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории впервые экспериментально обнаружил аномальные режимы кристаллизации в переохлажденной воде при температурах от 126 до 262 Кельвинов. Согласно новым данным, образование льда при этих режимах может происходить по одному из трех различных сценариев, что позволяет контролировать поведение переохлажденной воды в широком диапазоне температур. Работа опубликована в Proceedings of National Academy of Sciences.

Авторы изучали скорость образования льда в пленках переохлажденной воды. По словам самих ученых, до сих пор область от 180 до 262 Кельвинов считалась terra incognita для экспериментальных исследований, так как скорость кристаллизации была слишком высока, чтобы достоверно ее измерить. Ключевой особенностью новой работы стало использование коротких лазерных импульсов в сочетании с пленками полутяжелой воды. Это позволило вести контролируемый нагрев образцов, а также следить за фронтом кристаллизации за счет контраста химического состава: H₂O и HDO.

Jennifer C./ Flickr

Образцы представляли собой слой поликристаллического льда, нанесенный на платиновую подложку и покрытый сверху тонкой пленкой переохлажденной полутяжелой воды. Платина освещалась короткими импульсами лазера, что приводило к резкому нагреву и такому же резкому охлаждению всей системы, и влекло за собой дополнительную кристаллизацию полутяжелого льда. Благодаря спектроскопии отражения-поглощения ученые могли отследить движение фронта кристаллизации и таким образом оценить скорость формирования льда в переохлажденной воде.

Схема экспериментального образца и изменение температуры при облучении коротким лазерным импульсом. Изображение: Yuntao Xu et al./ PNAS

Оказалось, что при нагреве в системе сильно менялся характер кристаллизации. Так, при температурах ниже 180 Кельвинов образование льда подчинялось хорошо известной кинетической теории Аррениуса, а при 180 Кельвинах происходил скачок в энергии активации (энергии, требующейся для преодоления барьера между двумя устойчивыми состояниями). При температурах свыше 233 Кельвинов зависимость скорости кристаллизации переставала описываться уравнением Аррениуса.

Полученные результаты позволили впервые точно описать поведение переохлажденной воды в широком диапазоне температур и показать, что скорость кристаллизации может меняться на 11 порядков (в 100 миллиардов раз). Ранее существовало большое количество теорий, описывающих эту систему, но многие из них предсказывали противоречащие друг другу результаты. Новые данные позволили окончательно подтвердить отсутствие каких-либо критических или скачкообразных переходов в скорости кристаллизации воды, что открывает для экспериментаторов возможность точного контроля систем, работающих при столь низких температурах. В качестве другой области применения авторы отмечают атмосферные исследования, в частности, строение и время жизни облаков, которые в частности определяются кристаллизацией переохлажденных капель воды.

Автор: Тарас Молотилин