Wetenschap
Het ijs breken:moleculaire inzichten in het bevriezen van zoutwaterdruppels
In een nieuwe studie hebben onderzoekers het bevriezen van zoutwaterdruppeltjes op moleculair niveau waargenomen, wat nieuwe inzichten biedt voor de-icing- en anti-icing-technologieën. In tegenstelling tot wat gebruikelijk is, voldoen deze druppels niet aan de typische bevriezingspatronen die in zuiver water worden waargenomen.
Het onderzoeksteam, wiens onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications , experimenten uitgevoerd om de vorming van een pekelfilm (zoutwater) bovenop de bevroren zeewaterdruppels bloot te leggen, wat voorheen niet was gerapporteerd.
Dit ging gepaard met het tevoorschijn komen van ijskristallen uit de bodem van de pekelfilm, die groeien totdat ze de bovenkant van de druppel doorboren, een fenomeen dat 'ijskiemen' wordt genoemd. Deze werden gevalideerd met behulp van moleculaire dynamica (MD)-simulaties
Ze voerden verder een analoog experiment uit om de snelheid van ijsprecipitatie en condensatie te meten, ter ondersteuning van het voorgestelde mechanisme.
Puur versus zoutwaterbevriezing
Het bevriezen van zuivere waterdruppels volgt doorgaans een goed begrepen proces waarbij de druppel geleidelijk afkoelt totdat deze het vriespunt bereikt. Vervolgens vormen en groeien de ijskristallen, waarbij ze een stevige ijsstructuur aannemen met een enkelvoudige, puntige punt.
Aan de andere kant brengt het bevriezen van zoutwaterdruppeltjes extra complexiteit met zich mee. Terwijl de druppel bevriest, beïnvloedt de zoutconcentratie binnenin het vriespunt, waardoor dit doorgaans wordt verlaagd in vergelijking met zuiver water. Hierdoor verdwijnt ook het puntige puntje van de druppel, zoals gerapporteerd in eerder onderzoek.
Het ijsvormingsproces, dat verwijst naar de ophoping van ijs op oppervlakken of voorwerpen als gevolg van het bevriezen van waterdruppels, kan schade veroorzaken aan verschillende processen, zoals navigatie, luchtvaart en infrastructuur.
Het gedrag van zoutwaterdruppels brengt echter aanvullende overwegingen met zich mee. De aanwezigheid van een pekellaag kan de hechting van de bevroren druppel aan oppervlakken beïnvloeden, wat mogelijk gevolgen heeft voor anti-ijsvormingsstrategieën of oppervlaktecoatings die zijn ontworpen om ijsvorming te verminderen.
De eerste auteur van het onderzoek, Dr. Fuqiang Chu, universitair hoofddocent aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie, Beijing, sprak met Phys.org over hun werk.
"Ik ben nieuwsgierig naar het fenomeen ijsvorming en begon het te bestuderen tijdens het behalen van mijn doctoraat. Ik denk echter dat mensen dit fenomeen tot nu toe niet volledig konden begrijpen, vooral niet als ze een binair druppeltje, zoals een zout druppeltje, gebruikten."
"In dit werk bestudeerden we het proces van het bevriezen van zoute druppeltjes en probeerden we het unieke karakter van het bevriezen van zoute druppeltjes te ontdekken in vergelijking met zuivere waterdruppels", aldus Dr. Chu.
Het bevriezingsproces observeren en analyseren
Om het bevriezingsproces van zout water te bestuderen, gebruikten de onderzoekers zout water met variërende zoutconcentraties. Ze gebruikten een halfgeleiderkoelmodule om gecontroleerde koeling te bieden, waardoor ze de oppervlaktetemperatuur onder het vriespunt van de druppels konden afstemmen.
Zoutwaterdruppeltjes werden op het experimentele oppervlak geïnjecteerd, waar ze het bevriezingsproces ondergingen. Er werd gebruik gemaakt van snelle microfotografie om de ijsvormingsverschijnselen vast te leggen en te analyseren, inclusief de vorming van een vloeibare film bovenop bevroren druppels.
Ze observeerden de aanwezigheid van geconcentreerde pekel in de bevroren zoute druppeltjes, wat duidt op onvolledige bevriezing, wat anders is dan het bevriezen van zuivere waterdruppeltjes.
Op basis van temperatuurmetingen bedachten de onderzoekers een methode om de bevriezingsduur van zoute druppeltjes te voorspellen. Ze correleerden het uiterlijk van een vloeistoffilm bovenop bevroren druppels met het einde van het vriesproces, wat een visuele indicator opleverde voor het bepalen van de vriestijd.
De MD-simulaties werden vervolgens gebruikt om de experimentele resultaten te valideren en aan te vullen door een perspectief op moleculair niveau te bieden, waardoor onderzoekers de onderliggende mechanismen konden begrijpen die de waargenomen verschijnselen aansturen.
De MD-simulaties hadden tot doel de experimentele waarnemingen te reproduceren en extra inzicht te verschaffen in de moleculaire interacties die optreden tijdens het bevriezen van druppels door het gedrag van ionen, watermoleculen en bevriezingsgrensvlakken op nanoschaal te simuleren.
Er ontstaat ijs
De onderzoekers observeerden de vorming van een pekellaag bovenop de bevroren druppel. Deze laag voorkomt de vorming van een spitse punt en zorgt voor een stabiele temperatuur in de druppel.
"Na de vorming van de pekelfilm beginnen er wat ijskristallen op de bodem van de film te ontkiemen, wat erg lijkt op het proces van het ontkiemen van zaden. Dit fenomeen van ijskiemen verraste me, waardoor ik het gevoel kreeg dat de druppels leefden en een nieuw leven koesteren," zei Dr. Chu.
Dit unieke fenomeen resulteert in het doorboren van de pekelfilm en verdere groei van ijskristallen in de lucht.
Het fenomeen van het ontstaan van ijs wordt bepaald door grensvlakcondensatie op de verzadigde pekelfilm onder vochtige luchtomstandigheden.
Met andere woorden:aangezien de temperatuur van de pekelfilm lager is dan het dauwpunt van de omringende lucht (de temperatuur waarbij de lucht verzadigd raakt met waterdamp), zorgt dit ervoor dat waterdamp uit de lucht condenseert op het grensvlak van de pekelfilm. /P>
Dit gecondenseerde water verdunt de pekelfilm, waardoor het evenwicht wordt verstoord. Als gevolg van deze verdunning raakt de pekelfilm oververzadigd met zout, wat leidt tot het neerslaan van ijskristallen vanuit de film. De ijskristallen die zich in de pekelfilm vormen, verhogen de zoutconcentratie, waardoor de pekelfilm opnieuw verzadigt op zijn temperatuur.
"Dit suggereert dat het effect van de omgevingsvochtigheid niet kan worden genegeerd bij het bestuderen van de faseovergang of het kristallisatieproces van oplossingen", voegde Dr. Chu toe.
Universele definitie van bevriezingsduur
Naast deze twee waargenomen verschijnselen stelden de onderzoekers een universele definitie van de bevriezingsduur voor om de ijsvormingssnelheid van druppels met variërende zoutconcentraties te kwantificeren. Dit is een belangrijke parameter om de prestaties van anti-ijsvormingsoppervlakken en -technologieën te evalueren.
"Door onze definitie van de bevriezingsduur voor zoute druppels te gebruiken, kunnen onderzoekers mogelijk de prestaties van hun anti-ijsvormingsmethoden tegen zoute druppels kwantitatief evalueren. Dit kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van mariene anti-ijsvormingstechnologieën", legt Dr. Chu uit.
Het identificeren van de vorming van de pekelfilm bovenop bevroren druppels biedt onderzoekers een gestandaardiseerde manier om het einde van het bevriezingsproces te markeren, waardoor het gemakkelijker wordt om het bevriezingsgedrag van druppels te meten en te vergelijken.
Sprekend over mogelijke toepassingen voor anti-ijsvormingstechnologieën, noemt Dr. Chu het verminderen van de hechting van de bevroren zoutwaterdruppels.
"Voor een zoutwaterdruppel manifesteert het hele ijsvormingsproces zich als willekeurige groei van ijskristallen, en er blijft geconcentreerde pekel achter in de spleten van ijskristallen."
"Als gevolg hiervan hangt de adhesie van bevroren zoutwaterdruppeltjes niet alleen af van het contactoppervlak, maar heeft ook betrekking op de groeioriëntatie van ijsdendrieten en de verdeling van geconcentreerde pekel. Deze kunnen worden gecontroleerd door de positie van kiemvormingslocaties (initiële vorming) af te stemmen om een lage ijshechting te verkrijgen", legt Dr. Chu uit.