Ученые впервые напрямую
запечатлели динамику замерзания капли жидкости при соударении с намного более
холодной поверхностью. Оказалось, что в таком случае может наблюдаться не привычный
рост кристаллов, а расширяющиеся концентрические ледяные фронты. Результаты
могут пригодиться в ряде областей, в том числе в 3D-печати и при разработке методов защиты самолетов
от обледенения, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of
Sciences.
Во многих ситуациях на
протекание физических явлений оказывает влияние сразу несколько процессов. В таких
случаях возможно возникновение феноменов, которые не наблюдаются при
изучении более простых задач. Например, равновесная термодинамика используется
для исследования процессов, допускающих квазистатическое описание, то есть
представимых в виде непрерывного ряда плавно перетекающих друг в друга
состояний термодинамического равновесия. Некоторые реальные процессы достаточно
слабо отклоняются от этого идеальной схемы, поэтому их анализ классической
термодинамикой хорошо согласуется с измерениями, однако в других случаях отклонения
приводят к расхождению простейшей теории с экспериментом.
К подобным ситуациям относится
и замерзание жидкостей. Простейший случай — это постепенное образование
кристаллов льда внутри покоящейся капли. Однако если задачу усложнить,
например, добавив ветер или большой градиент температур, то как динамика
процесса, так и конечное состояние могут значительно измениться.
Физики из Нидерландов и
Германии под руководством Детлефа Лосе (Detlef Lohse) из Университета Твенте изучили
замерзание капли гексадекана (температура плавления +18 градусов Цельсия) в
сильно неравновесном случае падения на переохлажденную поверхность. Оказалось,
что при температуре поверхности на 11 и более градусов ниже точки плавления
внутри капли начинают последовательно двигаться несколько волн фазового
перехода. Авторам удалось описать это явление при помощи комбинации теории
образования зародышей кристаллизации и гидродинамики всей капли, которые редко
рассматриваются одновременно.
Мотивацией к проведению
подобного исследования стало широкое распространение подобного режима кристаллизации
в природе и технике: падающий на холодную поверхность дождь, застывание краски
струйного принтера, некоторые виды 3D-печати, а также фотолитография в глубоком
ультрафиолете, в которой применяются капли расплавленного олова. Многие работы
рассматривали механику деформаций и растекания капли в таком режиме, но влияние
на фазовые переходы исследовано недостаточно подробно.
Для фиксации процесса
авторы воспользовались эффектом полного внутреннего отражения, который
заключается в высоком коэффициенте отражения от границы раздела со средой с
меньшим коэффициентом преломления при угле падения луча близком к прямому. В
данном случае применялся красный лазер, а обработка отраженного сигнала
позволяла выяснить с высоким временным и пространственным разрешением динамику
в капле на толщине эванесцентной волны (порядка 100 нанометров).
Физики выяснили, что
результаты зависят от степени переохлажденности сапфировой поверхности. Если ее
температура не очень низка, то пузырек воздуха, прижатый каплей к поверхности,
спустя небольшое время поднимается в жидкости. Если же разность температур
достаточно, то пузырек остается в контакте с поверхностью и играет роль
дефекта, который усиливает радиальные движения возникающих в капле центров
кристаллизации, которые перемещаются в виде несколько последовательных волн.
Ранее физики разобрались в замерзании мыльных пузырей, объяснили взрыв замерзающих капель, а также предположили причину сохранения веществ в жидкой форме на Плутоне — за это может быть ответственнен газированный лед.
