Для понимания природы замерзания чистой жидкости, не содержащей посторонних примесей, ученые используют современные рентгеновские лазеры на свободных электронах. Процесс кристаллизации начинается с возникновения в переохлажденной среде крошечного зародыша твердой фазы. Молекулы стремятся занять упорядоченное положение с более низкой энергией.
Физики до сих пор не могут разгадать тайну замерзания воды
Мы все видели как замерзает вода, как образуются кубики льда в морозильнике, как покрывается льдом река. Но процесс образования льда до сих пор не разгадан. Изучение процесса перехода жидкостей в твердое состояние остается одной из самых сложных задач физики. Современные теоретические модели фазового перехода, созданные на основе классической теории, часто показывают колоссальные расхождения с результатами практических экспериментов. Ошибки в расчетах скорости кристаллизации могут достигать двадцати и более порядков, что делает невозможным точное прогнозирование природных и промышленных процессов.
Большинство кристаллов льда обладают шестиугольной симметрией, что можно увидеть с помощью светового микроскопа. Science Photo Library
Влияние космического холода на земной климат. Понимание механизмов замерзания чистой воды имеет решающее значение для прогнозирования глобального потепления. Высоко в земной атмосфере, где воздух практически не содержит частиц пыли, температура опускается ниже -40 градусов. В этих экстремальных условиях верхнего слоя тропосферы чистая вода замерзает, образуя перистые облака из микроскопических ледяных кристаллов. Такие облака активно поглощают и удерживают тепловое излучение от поверхности Земли, оказывая мощный согревающий эффект для всей планеты. Точные модели замерзания помогут метеорологам правильно оценивать поведение этих облаков.
Облака из ледяных кристаллов согревают планету.
Но формирование новой границы раздела между фазами требует огромных энергетических затрат. На начальном этапе микроскопический кристалл крайне нестабилен и легко растворяется в жидкости. Переход становится необратимым только тогда, когда зародыш случайным образом разрастается до критического радиуса благодаря тепловым флуктуациям. Из-за колоссальной чувствительности этого процесса к поверхностному натяжению и вязкости даже минимальное изменение внешних условий полностью меняет картину происходящего. Например, капля чистейшей воды при температуре -20 градусов может оставаться жидкой миллиарды лет, но при охлаждении до -35 градусов она замерзнет за доли секунды.
Новый взгляд на хаос
Рентгеновская дифракционная картина замерзающего криптона.
Проводя опыты с простейшими модельными жидкостями, исследователи зафиксировали первые микросекунды фазового перехода. Выяснилось, что в реальном процессе хаос и геометрические отклонения играют куда более важную роль, чем предполагали физики.
Традиционные теории исходили из того, что начальный зародыш имеет идеальную сферическую форму. Компьютерное моделирование и лазерный анализ показали, что максимальное совпадение теории с экспериментом достигается только тогда, когда учитывается сложная геометрия «зародышей». В замерзающей воде обнаружился высокий уровень структурного беспорядка с хаотичным чередованием различных типов кристаллических решеток. Физики рассчитывают, что изучение этих микроскопических конфигураций с помощью искусственного интеллекта позволит совершить прорыв в понимании физики Земли, в металлургии, в климатологии.