Molekylära insikter om frysning av saltvattendroppar

I en ny studie tittade forskare på frysning av saltvattendroppar på molekylär nivå, vilket ger nya insikter om avisnings- och anti-isningsteknik. I motsats till konventionella visdomar matchar dessa droppar inte det typiska frysmönstret som observeras i rent vatten.

Forskargruppen publicerade sin studie 2016. naturkommunikationgenomförde ett tidigare orapporterat experiment som avslöjade bildandet av en saltlösningsfilm på frusna havsvattendroppar.

Detta involverar uppkomsten av iskristaller från botten av saltlösningsfilmen och växer tills de bryter igenom toppen av droppen i ett fenomen som kallas ”isgroning”. Dessa validerades med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik (MD).

De genomförde vidare liknande experiment för att mäta hastigheten för isutfällning och kondensation, vilket bekräftade deras föreslagna mekanism.

Ren frysning och frysning med saltvatten

Frysning av rena vattendroppar följer vanligtvis en välkänd process där dropparna gradvis kyls ned tills de når sin fryspunkt. Iskristaller bildas sedan och växer till en solid isstruktur med en enda spetsig spets.

Å andra sidan skapar frysning av saltlösningsdroppar ytterligare en komplikation. När en droppe fryser påverkar saltkoncentrationen inuti fryspunkten, vanligtvis sänker den jämfört med rent vatten. Detta eliminerar också de skarpa spetsarna på dropparna, som rapporterats i tidigare studier.

Nedisningsprocess avser ackumulering av is på ytor och föremål på grund av frysning av vattendroppar, vilket kan skada flera processer såsom navigering, luftfart och infrastruktur.

Saltvattendroppars beteende kräver dock ytterligare överväganden. Närvaron av ett saltskikt kan påverka vidhäftningen av frusna droppar till ytor, vilket kan påverka anti-isningsstrategier och ytbeläggningar utformade för att minska isbildning.

Studiens huvudförfattare, Dr Fuqiang Chu, docent vid Beijing University of Science and Technology, talade med Phys.org om deras arbete.

”Jag var intresserad av fenomenet isbildning och började forska mot min doktorsexamen. Men hittills har vi inte helt förstått detta fenomen, särskilt när vi använder binära droppar som salthaltiga droppar. Jag tror inte att jag kunde ha gjort det .”

”I den här studien studerade vi frysningsprocessen för saltladdade droppar och försökte upptäcka det unika med att frysa saltladdade droppar jämfört med rena vattendroppar”, säger Dr Chu.

Observation och analys av frysprocess

För att studera frysningsprocessen av saltlake använde forskarna saltlösning med varierande salthalt. De använde en halvledarkylningsmodul för att styra kylningen, så att de kunde justera yttemperaturen under droppens fryspunkt.

En droppe saltvatten injicerades på experimentytan, där frysningsprocessen ägde rum. Höghastighetsmikrofotografier användes för att registrera och analysera isbildningsfenomen, såsom bildandet av vätskefilmer på frusna droppar.

De observerade närvaron av koncentrerad saltlösning i de frusna salta dropparna. Detta indikerar ofullständig frysning, vilket skiljer sig från frysning av rena vattendroppar.

Forskare har tagit fram en metod för att förutsäga hur länge saltfyllda droppar kommer att frysa baserat på temperaturmätningar. De korrelerade utseendet av en vätskefilm ovanför den frusna droppen med slutet av frysningsprocessen, vilket ger en visuell indikator för att bestämma frystiden.

MD-simuleringar användes sedan för att validera och komplettera de experimentella resultaten genom att tillhandahålla ett perspektiv på molekylär nivå, vilket gjorde det möjligt för forskare att förstå de underliggande mekanismerna som driver de observerade fenomenen.

MD-simuleringar syftar till att reproducera experimentella observationer och ge ytterligare insikt i de molekylära interaktioner som sker under droppfrysning genom att simulera beteendet hos joner, vattenmolekyler och frusna gränssnitt på nanoskala.Jag var där.

isgroning

Forskarna observerade att ett lager saltvatten bildades ovanpå de frusna dropparna. Detta lager förhindrar bildandet av vassa spetsar och upprätthåller en stabil temperatur i droppen.

”När en film av saltvatten bildas, börjar iskristaller att spira från botten av filmen. Detta är mycket likt processen för groning av fröer. Detta isgroningsfenomen förvånade mig och fick mig att inse att vattendropparna är vid liv.” Jag kände att jag växte upp ett nytt liv, säger Dr Chu.

Detta unika fenomen skapar hål i brinefilmen, vilket gör att fler iskristaller kan växa i luften.

Isgroningsfenomenet domineras av gränssnittskondensering på mättade brinefilmer under fuktiga luftförhållanden.

Med andra ord är temperaturen på brinefilmen lägre än daggpunkten för den omgivande luften (temperaturen vid vilken luften är mättad med vattenånga), så vattenånga i luften kondenserar vid brinefilmens gränssnitt.

Detta kondenserade vatten späder ut saltvattenfilmen och stör dess balans eller jämvikt. Som ett resultat av denna utspädning blir saltlösningsfilmen övermättad med salt och iskristaller faller ut inifrån filmen. Iskristaller som bildas inuti saltlösningsfilmen ökar dess saltkoncentration och återmättar därigenom saltlösningsfilmen vid den temperaturen.

”Detta tyder på att påverkan av miljöfuktighet inte kan ignoreras när man studerar lösningsfasövergångar och kristallisationsprocesser,” tillade Dr Chu.

Universell definition av frysningsperiod

Utöver dessa två observerade fenomen föreslog forskarna en universell definition av frysperioden för att kvantifiera isbildningshastigheten för droppar vid olika saltkoncentrationer. Detta är en viktig parameter för att utvärdera prestandan hos anti-isningsytor och anti-isningstekniker.

”Genom att använda definitionen av frysperioden för saltladdade droppar kan forskare kanske kvantitativt bedöma prestandan hos anti-isningsmetoder på saltladdade droppar. Detta kan vara användbart för att utveckla marina anti-isningstekniker. Det kan vara till hjälp ”, förklarade Dr Chu.

Att verifiera bildandet av en saltlösningsfilm ovanpå frusna droppar ger forskarna en standardiserad metod för att markera slutet på frysningsprocessen, vilket gör det möjligt för forskare att mäta och jämföra frysbeteendet hos droppar.

När det gäller potentiella tillämpningar inom anti-isningsteknik, nämner Dr. Chu att minska vidhäftningen av frusna havsvattendroppar.

”När det gäller saltvattendroppar uppträder hela isprocessen som slumpmässig tillväxt av iskristaller, vilket lämnar koncentrerad saltlösning i mellanrummen i iskristallerna.”

”Som ett resultat beror fastsättningen av frusna saltlösningsdroppar inte bara på kontaktytan, utan också på riktningen för isdendritens tillväxt och fördelningen av koncentrerad saltlösning. Detta kan kontrolleras genom att justera ”för att minska isvidhäftningen”, Dr. Chu förklarade.