Иллюстрация: Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano. Американские ученые-физики провели исследование, в ходе которого им удалось объяснить феномен притяжения льдинок к воде. Оказалось, что причиной этого явления является перенос электрического заряда в льдинке вследствие температурного градиента. В ходе эксперимента крошечная льдинка с отрицательным зарядом преодолевала расстояние в 5 миллиметров за несколько миллисекунд, достигая максимальной скорости 0,9 метра в секунду. Результаты исследования, опубликованные в журнале American Chemical Society Nano, могут способствовать более глубокому пониманию процессов образования молний и развитию методов электростатического удаления льда. Известно, что молекулы воды обладают дипольной природой, то есть стремятся выстроиться вдоль электрического поля. Это явление можно наблюдать, поднося заряженный предмет (например, расческу после расчесывания) к струе воды – она будет отклоняться.
Притяжение льдинки к водной пленке и водной капле. Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano
Даже при столкновении или трении льдинок друг о друга на них образуется заряд вследствие контактной разности потенциалов.
Благодаря продуванию обледеневших поверхностей потоком воздуха или применению внешнего электрического поля ученым удалось наблюдать заряженные льдинки микрометрового размера.
Ранит Мукхержи (Ranit Mukherjee) с коллегами из Политехнического университета Вирджинии обнаружил, что из-за электростатики могут отрываться и льдинки большего размера и в отсутствии потока воздуха или внешнего электрического поля. Для этого исследователи подносили к обледеневшей поверхности каплю или пленку воды. Процесс скачка льдинок ученые запечатлели с помощью высокоскоростной съемки.
Для эксперимента авторы охлаждали гидрофобную кремниевую подложку до −10 градусов по Цельсию с помощью элемента Пельтье, при этом температура окружающего воздуха была 25 градусов, а относительная влажность — 40 процентов. Чтобы выдерживать пленку воды над поверхностью, ученые использовали фильтровальную бумагу, расположенную на расстоянии в один, два с половиной и пять миллиметров от подложки.
Для начала наблюдения ученые дожидались, пока на подложке не вырастет слой льда в 120-800 микрометров, после чего 100 микролитров воды помещали на фильтровальную бумагу. Приблизительно через десять секунд частицы начинали открепляться от подложки или других льдинок и улетать в сторону воды с начальным ускорением, в десять раз превышающим гравитационное, и за миллисекунды льдинка достигала водной пленки.
Чтобы понять, как на этот процесс влияет подложка, исследователи провели эксперимент с гидрофильным стеклом и супергидрофильной поверхностью гидроксида алюминия. Вне зависимости от смачиваемости, тепло- и электропроводности процесс наблюдался во всех случаях.
Затем ученые рассмотрели динамику прыжка льдинки. Максимально зафиксированная скорость льдинки — 0,9 метров в секунду. Приняв для силы сопротивления частицу в качестве сферической, исследователи рассчитали притягивающую силу — она составила 10-10 — 10-9 ньютон. Авторы предположили, что эта сила — электростатическая по своей природе. Чтобы это подтвердить, они меняли жидкость на фильтровальной бумаге. Для полярных воды, ацетона и этиленгликоля эффект в полной мере наблюдался, а для неполярных углеводородов декана и гексадекана не наблюдался, как и при отсутствии жидкости.
Линии электрического поля от капли воды. Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano
Линии электрического поля от пленки воды. Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano
В льдинке с температурным градиентом в теплом конце больше ионных дефектов, в воде основные ионы — гидроксил OH– и гидроксоний H3O+. Коэффициент диффузии гидроксония в 3,3 раза больше, а потому эти ионы быстрее распространятся в холодный конец, оставляя теплый конец отрицательно заряженным. Если же поддерживать температуру одинаковой, то никаких скачков льдинок наблюдаться не будет. С помощью модели Латама и Мэйсона авторам удалось оценить плотность поверхностного заряда: −100 нанокулон на квадратный метр. Также ученые провели численное моделирование переноса заряда внутри льдинок. Через 0,1 секунды после приложения градиента температур плотность заряда выходила на насыщение близкое к рассчитанному.
Перетекание заряда в льдинке. Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano
Для уточнения механизма отрыва льдинок от поверхности ученые рассмотрели два варианта: разрыв точечного контакта (менее одного микрометра) и разворот с разрывом контакта по площади (более десяти микрометров). Из условия Гриффитса для инициации разрыва исследователи нашли начальный размер разрыва — 0,1 нанометра. Для субмикрометровых частиц время разрыва составило 100 микросекунд — что совпадает с минимальным время-разрешением камеры — а потому разрыв выглядит мгновенным. В случае же крупных частиц требуются уже миллисекунды, что и удалось заснять в виде разворотов и кручения льдинок.
Таким образом, авторы объяснили, почему льдинки притягиваются к воде, что поможет разработать электростатический способ противодействия образованию наледи. Однако вместо воды советуют использовать электроды высокого напряжения для удаления льда с размерами больше микронных.
Изучение льда и его свойств тесно связано с окружающим бытом. Не так давно физики объяснили, почему при приближении к температуре плавления лед становится менее скользким. Оказалось, все дело в резкой потере твердости льда, из-за чего скользящий предмет бороздил его и нарушал целостность, застревая в глубоких трещинах.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
