Выяснены новые детали процесса замерзания воды

Как известно, соль и ряд иных веществ замедляют замерзание воды. Но, как это ни смешно, никто до недавних пор не пытался ответить на вопрос, что это «замедляет» значит в цифрах.

Физики из Корнеллского университета (США) под руководством Мэтью Уоркентина (Matthew Warkentin) попробовали заполнить этот пробел. Чистая вода, замораживаемая со скоростью миллион кельвинов в секунду, в нормальных условиях образует аморфный лёд всего за одну микросекунду. Добавляя растворы веществ, препятствующих замерзанию, учёные выяснили, что повышение их концентрации на определённую величину замедляет замерзание в десять раз, а последующее добавление такого же количества вещества — ещё в десять раз, и так далее. К примеру, водоглицериновая смесь, где глицерина было 50%, застывала почти минуту.

Сегодня криоконсервация часто вынуждена балансировать на грани потери функциональности сохраняемых органов и тканей: не всегда ясно, при какой именно температуре в них может наступить кристаллизация. (Фото Wikimedia Commonns.)

Итак, процесс замерзания описывается относительно простой экспоненциальный функцией. Может ли это простое поведение быть объяснено столь же тривиальным механизмом?

Дальнейший анализ показал следующее: для начала замерзания воде требуется «ядро» из не менее чем 50 молекул. Если их меньше, «ядро» начинает разваливаться и исчезает; если же размер будет равен 50+, то процесс замерзания не остановится, пока не кончится жидкая вода. Как оказалось, если вероятность нахождения молекулы растворённого вещества (соли или алкоголя и даже сахара) в этих 50 молекулах сильно отличалась от нуля, такие ядра просто не могли складываться. Поскольку с добавлением растворённых веществ вероятность встретить их молекулу среди каждых 50 молекул воды росла экспоненциально, так же экспоненциально увеличивалось и время замерзания.

Как отмечают исследователи, разработанный ими подраздел теории кристаллизации жидкостей значим для расчёта климатических моделей Земли, поскольку ранее в них не было чётких количественных объяснений, когда именно возможно замерзание водяного пара в облаках. Что не менее важно, криоконсервация органов для пересадки, а также ряда важных тканей, крови и спермы также нуждается в теории такого рода, чтобы точно знать, где пролегает граница между безопасным охлаждением (без образования кристаллов льда) и безвозвратной гибелью криоконсервируемого объекта.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Корнеллского университета.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus