Климат, как и многие другие экологические факторы, влияет на деятельность человека. Это взаимодействие двунаправленное, ибо деятельность человека также активно влияет на экологию и климат. Для достижения некоего баланса необходимы технологии и разработки, учитывающие как потребности человека, так и экологические ограничения. Однако, дабы такие технологии работали, необходимо понимать многие процессы и явления, которые протекают в окружающей среде. Одной из общеизвестных систем является круговорот воды в природе, однако и в этом процессе существует множество этапов, которые не до конца изучены ввиду нехватки эмпирических наблюдений. Ученые из Гавайского университета в Маноа (США) провели уникальное исследование капель воды, которые замерзают, будучи взвешенными в воздухе. Это исследование стало возможным благодаря новейшей криогенно-охлаждаемой ультразвуковой левитационной камере, имитирующей условия атмосферы Земли. Что именно удалось узнать, какие процессы протекают в момент перехода капель воды из жидкого в твердое состояние, и как полученные знания можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Изображение №1

Замерзание капель воды в лед повсеместно встречается в природе и играет центральную роль в фундаментальных атмосферных процессах, таких как образование облаков и осадков, включая снег и град (схема выше). Во время восходящего переноса водяной пар конденсируется в капли, которые продолжают охлаждаться ниже точки замерзания воды (273 К), достигая метастабильного состояния, называемого переохлажденной водой; они подвергаются зарождению льда, достигая кристаллического твердого состояния — ключевой шаг, который давно вызывает интерес научных сообществ в области химии, физики и атмосферных наук. Предыдущие эксперименты показывают, что явление замерзания во многом зависит от размеров водных капель и окружающих условий. В большинстве случаев капля охлаждалась на макроскопической поверхности, где контактный эффект мог по существу вызвать зарождение льда. Более того, большинство исследований проводились в вакууме для спектроскопической характеризации. В этих обстоятельствах в литературе часто описываются случаи быстрого замерзания при экстремально низких температурах до 173 К, которые отличаются от реальной атмосферной картины.


Изображение №2

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые сообщают о комбинированном зависящем от времени спектроскопическом и высокоскоростном исследовании изображений акустически левитирующей одиночной капли воды, замерзающей до состояния льда внутри криогенно охлаждаемой камеры, тем самым устраняя любые поверхностные эффекты, чтобы выявить временную эволюцию молекулярной структуры вместе с различными стадиями процесса охлаждения. Атмосферные условия моделируются в камере (2A), начиная, например, с диапазонов тропосферного давления (760 ± 10 Торр), и в качестве примера для химически инертных сред сухого азота (N₂). Температура моделируемой атмосферы внутри камеры и ее пространственное изменение отслеживаются гибким кремниевым диодным температурным датчиком, в то время как точная температура водной капли/частицы льда зондируется инфракрасной камерой.

Результаты исследования

Капля воды вводится во второй узел давления в камере через микроиглу и подвергается замораживанию через отдельные этапы по мере падения температуры (2B; видео №1). Для типичной левитирующей капли размером 1 мкл непрозрачность изменилась при температуре 270.9 ± 0.5 К, что чуть ниже точки замерзания воды. Это указывает на сдвиг плотности и начало образования ледяных структур. Однако капля сохраняла свою жидкую природу и демонстрировала наличие метастабильной переохлажденной воды до достижения температуры 268.9 ± 0.7 К, при этом образовывалась ледяная корка, за которой следовал внутренний дендритный рост льда к жидкому ядру.

Этот процесс представляет собой вызванное поверхностью капли зарождение льда на границе раздела воды и охлажденного буферного газа азота. Было отмечено небольшое повышение температуры капли до 269.8 ± 0.7 К из-за рассеивания скрытой теплоты от замерзания. Затем капля быстро трансформировалась в скользкую ледяную частицу, которая затвердела до состояния льда при 268.5 ± 0.7 К. Этот процесс сопровождается небольшим увеличением объема по сравнению с левитирующей каплей воды. Корреляция точки замерзания с объемом капли выявляет тенденцию к снижению точки замерзания с увеличением размера капель (2D). Относительная влажность моделируемой атмосферы во всем диапазоне температур была незначительной, а потому не могла оказать какое-либо существенное влияние на процесс замерзания левитирующей капли.

Зависящие от времени рамановские спектры (2E) отслеживают временные изменения в молекулярных структурах во время процесса замораживания, выявляя значительные спектральные изменения.

Во-первых, общая форма полосы частотной области растяжения связи O─H (ν_OH: от 3800 до 2800 см⁻¹) эволюционировала с резкой и заметной полосой в кристаллическом льду (гексагональной, I_h) (3144 см⁻¹), которая смещена в красную сторону от полосы 3224 см⁻¹, т. е. растяжения связи O─H (ν_OH-DDAA) тетраэдрически связанной водородом молекулы воды с двойной донорно-двойной акцепторной конфигурацией (DDAA) в пентамерной единице. Это явление объясняется значительно более прочной и сложной водородной связью в структуре льда. Однако колебания валентности O─H воды и льда очень чувствительны к их локальному окружению с сильной связью внутримолекулярных и межмолекулярных колебаний. Поэтому спектральная интерпретация в терминах нормальных мод, т. е. молекулярных симметричных и антисимметричных растяжений, принципиально неуместна; вместо этого они назначаются на основе локализованных растяжений O─H. Взаимодействие таких растяжений O─H, относящихся к динамическим молекулярным структурам, очевидно из постепенных изменений в относительных интенсивностях полос 3224 см⁻¹ (ν_OH-DDAA) и 3430 см⁻¹ (ν_OH-DDA; DDA: двойной донор-одиночный акцептор). Оба претерпевают спектральные красные смещения на 80 и 66 см⁻¹ соответственно при охлаждении от 293.6 ± 0.9 К до 268.5 ± 0.7 К. В промежутке между 20 и 50 секундой эти полосы, которые представляют переохлажденную воду, почти равны по интенсивности, тогда как после 60 секунды полоса 3144 см⁻¹ становится преобладающей, что подразумевает образование льда. Уменьшенная интенсивность смещенной в красную сторону полосы ν_OH-DDA (3364 см⁻¹) во льду также указывает на структурную реорганизацию в двухслойном каркасе по сравнению с жидкой водой.

Во-вторых, очевидно заметное снижение интенсивности изгибной моды (1645 см⁻¹) при кристаллизации; это явление обусловлено потерей индуцированного дипольного момента перехода, что позволяет предположить, что рассматриваемая вибрация в первую очередь отражает молекулы воды, которые не соответствуют симметричному тетраэдрическому окружению в жидкой фазе.

В-третьих, появление структурированных полос в низкочастотном диапазоне ниже 370 см⁻¹ для льда связано с межмолекулярными колебательными модами O…H, а именно с затрудненными перемещениями молекул воды в жесткой сетке водородных связей.

Временная эволюция спектрально богатых полос ν_OH при охлаждении показывает, что характеристики ниже полосы 3300 см⁻¹ усиливаются, в то время как характеристики выше 3300 см⁻¹ ослабевают из-за общего изменения структурных мотивов и усиления межмолекулярных взаимодействий, что ослабляет связи O─H. Следовательно, вышеупомянутые спектральные сегменты, в частности 3200–3100 см⁻¹ (R1) и 3440–3340 см⁻¹ (R2), можно обозначить как характерные характеристики льда и воды соответственно (2F). Соотношение интегральных площадей под этими выборками позволяет количественно оценить ход процесса замерзания (2G) и избежать утомительных спектральных деконволюций и последствий, связанных с небольшими сдвигами волновых чисел.

Результирующая кривая относительно времени и температуры обнаруживает фактический момент изменения фазы, например, репрезентативное среднее отношение для переохлажденной воды (t = 20-50 с) составляет 0.81 ± 0.07, что немного выше, чем для жидкой воды при 293 К (0.58 ± 0.04), в то время как образование объемного льда (дендритный рост) запускается примерно через 60 секунд, о чем свидетельствует точка перегиба кривой (1.22 ± 0.07) до достижения льда I_h через 70 секунд и далее (1.68 ± 0.07). Температурно-зависимая временная кривая функционирует как спектральный маркер, который точно идентифицирует фазы и точку замерзания воды по сравнению со льдом.

В заключение, это исследование, использующее недавно разработанный криогенно охлаждаемый ультразвуковой левитатор в имитируемой среде, в сочетании с Рамановской спектроскопией в реальном времени и методами одновременной визуализации, обеспечивает понимание процесса замерзания водных капель на молекулярном уровне путем определения критических этапов переохлаждения, образования льда, вызванного поверхностью капли на интерфейсе буферного газа и воды, дендритного роста льда и полного замерзания. Это исследование является самым первым в своем роде, где будущие исследования кристаллизации будут использовать водные растворы, легированные атмосферно соответствующими жидкостями и твердыми веществами, дополнительно смешивая реактивные загрязняющие газы с буферным газом для определения точных физико-химических эффектов на процессы образования льда. Контролируя температуру буферного газа, давление, химический состав и компонент(ы) левитирующего жидкого или твердого образца, аппарат может быть расширен до планетарной астрохимии за пределами земной атмосферной химии.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали работу нового устройства — криогенно охлаждаемой ультразвуковой левитационной камеры. Данная камера была использована на практике для детального изучения процесса превращения капель воды в лед.

Подобного рода исследования проводились и ранее, но они были неточными ввиду отсутствия необходимого оборудования. Данная же установка позволяет имитировать условия атмосферы Земли с высокой точностью, что позволяет наблюдать в лабораторных условиях за процессами, которые протекают и в атмосфере. В будущем установку можно улучшить, как и сам экспериментальный процесс, внедрив в буферный газ различные примеси, изменить состав исследуемого образца, изменить условия (температуру, давление и т. д.).

Как отмечают ученые, понимание молекулярных взаимодействий, приводящих к образованию льда, может помочь уточнить модели динамики облаков и осадков, которые играют важную роль в прогнозировании погоды и изменений климата. Кроме того, данные, полученные с помощью данной установки, помогут в разработке более эффективных и более экологичных систем охлаждения и заморозки.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?