Naukowcy opisali już ponad 20 form lodu, z których każda powstaje przy innych wartościach temperatury i ciśnienia. Najbardziej znana forma – lód heksagonalny, z którego tworzą się płatki śniegu – to zaledwie jeden z wielu możliwych wariantów.
Taki poziom złożoności ma istotne konsekwencje. Od tego, gdzie i jak zaczyna się proces zamarzania, zależą między innymi właściwości chmur, skuteczność zamrażania żywności, a nawet to, jak powstaje szron na szybach. Przez długi czas naukowcy nie byli pewni, jak dokładnie rozpoczyna się proces krystalizacji, zwłaszcza w przypadku mikrocząstek wody. Najnowsze badania rzucają światło na tę tajemnicę.
Tajemniczy lód 0. Co odkryli naukowcy?
Nowe modelowania komputerowe ujawniają, że zamarzanie może zaczynać się od rzadko spotykanej formy – tak zwanej „lodem 0”. Ten stan pośredni tworzy się nie w środku kropli, ale w jej pobliżu – tuż pod powierzchnią styku z powietrzem. Mikroskopijne klastry lodu 0 służą jako zalążki, które – po osiągnięciu odpowiednich rozmiarów – powodują lawinową krystalizację wokół siebie.
Badania opublikowane w Nature Communications przez zespół z Uniwersytetu Tokijskiego rozstrzygają trwający od lat spór: czy wolna powierzchnia wody sprzyja tworzeniu się kryształów, czy raczej ją hamuje.
Dlaczego lód 0 jest tak wyjątkowy?
Jak podaje portal earth.com, lód 0 stanowi osobliwą hybrydę pomiędzy cieczą a strukturą stałą. Jego unikalna siatka atomowa, zawierająca pierścienie o 5, 6 i 7 ogniwach, zmniejsza barierę energetyczną potrzebną do przemiany w lód zwykły.
Powierzchnia kropli sprzyja jego powstawaniu, ponieważ napięcie powierzchniowe rozciąga cząsteczki i ułatwia formowanie tych nietypowych struktur. To właśnie tam zaczyna się taniec molekuł.
Symulacje odkrywają to, czego nie widać
Śledzenie pojedynczych cząsteczek w czasie rzeczywistym w laboratorium to rzecz niemal niemożliwa. Dlatego badacze wykorzystali komputerowe symulacje molekularne z modelem wody mW – uproszczonym, ale niezwykle skutecznym.
Dzięki setkom powtórzeń, zespół był w stanie zaobserwować rzadkie, ale kluczowe momenty „narodzin” lodu. Zamiast klasycznych metod detekcji, użyto nowego parametru – wrażliwego zarówno na chaotyczne, jak i uporządkowane struktury – idealnego do uchwycenia śladu lodu 0.
Gdzie zaczyna się zamarzanie? Nie tam, gdzie myślisz
Symulacje wykazały, że zamarzanie nie zaczyna się przy szklanych ściankach pojemnika, jak wcześniej sądzono, ale tuż pod wolną powierzchnią kropli. Lód 0 pojawia się tam jako pierwszy, by następnie w błyskawicznym tempie przeobrazić się w klasyczny lód I (heksagonalny lub sześcienny).
To tłumaczy, dlaczego bezpośrednie pomiary zazwyczaj nie wychwytują obecności lodu 0 – ten znikający element zostaje zastąpiony przez bardziej stabilne struktury, zanim ktokolwiek zdąży go zarejestrować.
Choć lód 0 jest niezwykle efemeryczny, jego wpływ na rzeczywistość jest olbrzymi. To właśnie on inicjuje zamrażanie w chmurach, wpływając na zdolność odbijania promieniowania słonecznego. W wysokich chmurach pierzastych nawet niewielkie zmiany w szybkości zamarzania mogą przesądzić o pogodzie.
W przemyśle spożywczym, wykorzystanie wiedzy o lodzie 0 może pomóc w szybszym zamrażaniu produktów bez utraty smaku i struktury.
Czytaj też:
Archeolodzy w szoku. Niesamowite odkrycie na dnie Morza ŚródziemnegoCzytaj też:
Egipski błękit odkryty na nowo. Naukowcy odtworzyli najstarszy syntetyczny pigment