Een gecombineerd team van materiaalwetenschappers en ingenieurs van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie en de Yale Universiteit heeft via laboratoriumexperimenten aangetoond hoe met water gevulde kanalen die kriskras door multikristallijn ijs lopen, kunnen leiden tot breuken in materialen zoals cement en asfalt. In hun artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters beschrijft de groep de experimenten die ze uitvoerden met transparante voorwerpen, water en siliconen, om te laten zien hoe vloeistofkanalen in ijs kunnen leiden tot breuken in poreuze materialen.

Water zet, in tegenstelling tot andere vloeistoffen, uit als het bevriest. Dit komt door de unieke vorm van watermoleculen en de hoeken die zich daartussen vormen wanneer water bevriest. Een dergelijke uitzetting wordt vaak toegeschreven aan schade aan materialen zoals wegen en opritten, maar zoals de onderzoekers benadrukken, is dergelijke schade te wijten aan de groei van ijskristallen en niet aan de uitzetting van water. Daarom onderzocht het team de kristalgroei om te bepalen hoe deze schade veroorzaakt.

De onderzoekers merkten op dat in de echte wereld de meeste schade optreedt in ondoorzichtige materialen, zoals beton en asfalt, wat het erg moeilijk maakt om het proces te bestuderen terwijl het plaatsvindt, en kozen voor een andere aanpak. Ze creëerden een omgeving waarin alle materialen zich op dezelfde manier zouden gedragen, maar ook transparant zouden zijn.

Het team begon met twee glasplaatjes, gescheiden door afstandhouders. Vervolgens maakten ze een enkele kleine porie met behulp van een lichtuithardbare lijm, slechts enkele millimeters lang en breed. Vervolgens bedekten ze de binnenkant van de onderkant van de porie met een dun laagje siliconen, dat ze bespikkelden met fluorescerende deeltjes voordat ze uithardden. Daarna vulden ze de porie met water.

Toen hun apparaat was gebouwd, koelden ze slechts één uiteinde van de porie die ze hadden gemaakt, terwijl ze het andere uiteinde verwarmden. En toen keken ze naar de actie met behulp van een microscoop. Ze ontdekten dat naarmate het water in het gekoelde uiteinde bevroor, de siliconen begonnen te vervormen en daarbij het ijskristal dat zich in de porie had gevormd groter werd en daarbij druk uitoefende op de siliconenlaag. /P>

Bij nader onderzoek van de siliconenlaag bleek dat er tussen het ijs en de siliconen een waterfilm bleef bestaan, die als bron van nieuw water diende voor voortdurende uitzetting, wat leidde tot het soort schade dat wordt gezien bij materialen als cement en asfalt.

Meer informatie: Dominic Gerber et al, Polykristalliniteit verbetert de opbouw van stress rond ijs, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.208201

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2023 Science X Netwerk