对于为什么过冷的水滴有时会在结冰时爆炸有了新的理解

2023-08-18 12:46来源:大智报

水在冻结时膨胀的独特特性会导致水滴破裂,美国的一项新研究为影响这一现象和由此产生的冰的因素提供了重要的见解这一发现可能会导致大气模拟技术的进步。

当温度降到0℃以下时,水不会立即凝固,因为冰晶必须先成核并扩散。因此,水滴可以保持在亚稳的过冷液体中,这种液体远低于冰点。当水最终开始冻结时,它最有可能是在液滴的外部附近开始冻结。部分原因是简单的几何形状决定了3D形状在远离中心的地方有更多的面积,也因为冷却液滴首先在外部冷却。如果外面先结冰,中心就会在冰中产生压力。

如果固体外壳破裂,液态水就会从内部逸出,这种压力就会释放出来。然后冻结成突起,称为针状体。液滴也可以完全破碎,留下多块冰。2017年,荷兰特温特大学(University of Twente)的桑德·怀尔德曼(Sander Wildeman)及其同事利用高速成像技术观察到,大于50μm的液滴可能会破碎,而较小的液滴则不会

然而,在新的研究中,新泽西州罗格斯大学的克劳迪斯·斯坦和他的同事们研究了40μm大小的深度过冷液滴。研究人员利用斯坦福大学的线性加速器实验室,在注入真空室6.4到7.8毫秒之间,对数千个液滴进行了x射线衍射成像和光学显微镜观察。他们发现大约60%的炸弹爆炸了。研究人员怀疑这可能是因为,在一个更深层的过冷环境中,液滴形成了一个更坚固的冰壳,防止水逸出形成针状物。“我们目前的解释是,也许我们正在保持和建立压力,因为壳的强度增加了,”斯坦说。他希望,把他的工作和其他人的工作结合起来,可能会使该领域得出一个公式,将气压、温度和液滴直径与液滴分裂的概率和产生的碎片数量联系起来。例如,这是云物理中一个长期存在的问题。

A detailed model of freezing in 40-µm supercooled water drops in vacuum, after homogeneous nucleation

研究小组确定了在光学图像中可以识别的冻结的七个阶段

通过分析x射线衍射图,研究人员发现水并没有冻结成我们熟悉的六边形冰。先前的一项实验涉及油水乳液中的过冷水滴,观察到在冻结后几分钟,冰处于中间阶段,六边形冰区域和立方冰区域之间存在堆积缺陷然而,在新的实验中,冻结液滴在冻结后1ms呈应变六边形构型。斯坦说:“这两者之间没有连续的实验,而且在时间尺度上有许多数量级的差异。”“似乎这种应变足以导致至少一些堆积缺陷,但我们不知道发生这种情况的机制。”研究人员现在正计划将他们的工作扩展到更长的时间尺度,试图观察这种结构的演变。

美国普林斯顿大学的计算化学家Pablo Debenedetti对研究人员的实验技术组合印象深刻,并表示他们的工作是“对快速冻结条件下非常复杂的液滴动力学方法的有趣方法”。他现在希望他们能推进到更冷的温度,他说,“我对他们是否能看到立方冰的迹象很感兴趣。”他还表示,他们可能会将这种技术应用于其他液体。

蒂姆·沃根报道

  • Cement being poured

    超级电容器水泥可以增强可再生能源储存

  • Close up of a hand in a purple latex glove holding a small solar cell

    氟化配体稳定钙钛矿太阳能电池

  • A composite artwork of a portrait of Franklin and some printed paper money

    本杰明·富兰克林纸币的防伪秘密内伊透露

聚文网声明:未经许可,不得转载。
生活
综合