Американские физики показали, что наличие примесей в воде уменьшает адгезию льда к поверхностям. Причем всего лишь один процент примесей по массе может уменьшить адгезию более чем в десять раз. Исследование опубликовано в журнале Materials Horizons.
Обледенение поверхностей может создать большие проблемы в разных областях человеческой деятельности: от обрыва проводов до задержек авиарейсов и крупных аварий. Чтобы минимизировать экономический ущерб от обледенения, ученые изучают процесс образования льда, а также разрабатывают новые типы материалов, которые лучше поддаются очистке. Однако обычно в лабораторных условиях ученые изучают процессы замерзания в чистой воде, что не соответствует реальным условиям. В природных условиях вода содержит примеси и загрязнения, которые могут влиять на процесс замерзания.
Группа ученых под руководством Сушант Ананда (Sushant Anand) из Университета Иллинойса представила систематическое исследование влияния примесей на процесс образования льда на твердых поверхностях. Для этого физики измеряли силу, которую необходимо приложить для отрыва или начала скольжения образца льда с примесями по различным поверхностям. Ученые обнаружили, что всего лишь одного процента соли в чистую воду достаточно для уменьшения адгезии на порядок. Впрочем, помимо концентрации примеси на адгезию влияла и температура, при которой происходило замерзание — при более низкой температуре сила адгезии слабее зависела от концентрации примесей.
На основе экспериментальных наблюдений физики предложили два механизма, которые могут влиять на силу адгезии из-за наличия примесей. Во-первых, наличие примесей влияет на толщину квазижидкого слоя, который образуется между твердой поверхностью и льдом. Во-вторых, примеси увеличивают вероятность возникновения неоднородностей и нарушений в структуре льда. При помощи компьютерного моделирования ученые подтвердили важность влияния примесей и окружающей температуры в обоих процессах.
Однако морская инфраструктура и корабли в северных морях все равно обмерзают, хотя соленость значительно выше одного процента. Физики выдвинули гипотезу, что помимо концентрации примеси и окружающей температуры важна также и скорость образования льда. При достаточно низкой скорости образования льда примеси выталкиваются с фронта замерзания, что значительно понижает соленость образовавшегося льда и повышает его адгезивные свойства. Ученые отмечают, что их исследование позволяет переосмыслить проблему борьбы с обледенением, проектируя покрытия, которые медленно выделяют из себя примеси для уменьшения адгезии льда.
Наличие примесей в воде не впервые помогает ученым совершать открытия. Например, ранее мы писали, как соль помогла увидеть переход между аморфными фазами переохлажденной воды.