Wetenschappelijk onderzoek begint vaak met het 'waarom'.

Zonder meer te verwachten dan een vraag van een YouTube-video te beantwoorden, Onderzoekers van Virginia Tech hebben mogelijk de manier veranderd waarop mensen denken over het proces van bevriezing.

Hoofdonderzoeker van Virginia Tech, Jonathan Boreyko, een assistent-professor in werktuigbouwkunde aan het College of Engineering, en zijn student-onderzoekers keken naar een YouTube-video van een bevriezing van een zeepbel. De betoverende aanblik van ijskristallen die rond de bel dreven, deed de ingenieurs zich afvragen wat de oorzaak van het fenomeen was.

Boreyko en studentonderzoekers Farzad Ahmadi en Saurabh Nath, beide afgestudeerde studenten technische mechanica, en Christian Kingett, een niet-gegradueerde onderzoeker in technische wetenschappen en mechanica die in 2019 afstudeerde, deed literatuuronderzoek en ontdekte dat niemand ooit had onderzocht hoe zeepfilms of bellen bevriezen.

De resultaten van de vraag van het team, die begon als een eenvoudig "waarom, " is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , uitleggen van de fysica achter de oorzaak dat de ijskristallen omhoog springen in de bel en ronddraaien, waardoor de perceptie over het bevriezingsproces verandert.

"We begonnen met het bevriezen van een luchtbel in het lab, met behulp van een bevroren substraat, " legde Boreyko uit. "Wat we ontdekten was dat de luchtbel van de bodem tot een bepaald punt zou bevriezen en dan zou stoppen. We kregen niet dat mooie 'sneeuwbol-effect' dat we op de video zagen. Maar, Farzad heeft een mooi model gemaakt dat op basis van de grootte van de bel en de luchttemperatuur nauwkeurig kan voorspellen waar het vriesfront zal stoppen."

Omdat de schaal van een bel microscopisch dun is, de warme luchttemperatuur in het laboratorium verhinderde dat het koude stadium de bel volledig bevroor. Verhuizen naar een inloopvriezer, het team probeerde het experiment opnieuw, in de veronderstelling dat ze zouden ontdekken hoe de drijvende ijskristallen werden gevormd.

"We hebben het niet in de vriezer gezien, of, aanvankelijk, "Zei Boreyko. "Maar we probeerden opnieuw de bel op ijs te zetten in plaats van op een droog substraat, en dat is waar we zagen wat we zochten."

Bij min 20 graden Celsius en met behulp van een ijssubstraat, de bel snel gevuld met zwevende kristallen die de volledige bevriezing van de bel bespoedigen, en opende de ogen van de onderzoeker.

"Als je de bel op een ijzige ondergrond deponeert, de bel begint te bevriezen, die warmte afgeeft, " zei Ahmadi. "De onderkant van de zeepbel, in dit geval, wordt warmer dan de rest van de bel - het is door bevriezing veroorzaakte verwarming."

De moleculaire energie komt vrij wanneer de watermoleculen samensmelten tot een dicht opeengepakt vast rooster en een temperatuurverschil van ongeveer 14 graden creëerde - min 20 aan de bovenkant van de bel en min 6 graden aan de bevroren basis.

"De temperatuurgradiënt van boven naar beneden veranderde de oppervlaktespanning, "Ahmadi zei. "De spanning zorgde voor een stroom van warm naar koud."

Deze stroom staat bekend als Marangoni Flow. Wanneer het voorkomt in de vriesbellen, de stroom scheurt ijskristallen van de bodem van de bel en wervelt ze rond de vloeibare schaal waar ze groter worden totdat de hele bel is bevroren.

"Vroeger dachten we dat hoe snel we iets konden bevriezen afhing van hoe snel het vriesfront kon groeien, "Zei Boreyko. "Dit toont ons aan dat een door bevriezing veroorzaakte Maragoni-stroom honderden extra vriesfronten zal creëren van de ijskristallen die van de bodem worden verwijderd. Dus, we realiseerden ons dat het niet alleen is hoe snel een front groeit, maar in gevallen zoals onze bubbel, je kunt het systeem manipuleren om honderden bevriezingsfronten te laten samenwerken om iets veel sneller te bevriezen."