È stato riscontrato che una goccia che cade su una superficie notevolmente sottoraffreddata si congela in un modo mai osservato prima. Invece della ben nota crescita dei cristalli, una superficie più fredda provoca lo spostamento di fronti di ghiaccio circolari. Questi fronti si spostano dal centro verso il bordo della goccia gelata. Scienziati dell'Università di Twente e del Max Planck Center for Complex Fluid Dynamics hanno dimostrato per la prima volta questo effetto, e dare una spiegazione per il meccanismo fisico coinvolto nell'ultima Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Quando la pioggia cade su una superficie ancora ghiacciata, rende la strada molto scivolosa in poco tempo. Questo è un esempio di goccioline di liquido che cadono su una superficie che ha una temperatura inferiore al punto di fusione:è "sovraraffreddata". Il congelamento della goccia e la cristallizzazione evocano le strutture dendritiche a forma di stella spesso osservate nei fiocchi di neve. Se la superficie è più fredda, però, la goccia non solo si congela più velocemente, ma il meccanismo cambia, anche. Su una superficie abbastanza fredda, si verifica un fenomeno notevole:dal centro della gocciolina, i fronti di ghiaccio si spostano verso il bordo mentre la goccia si sta ancora diffondendo. Questo accade ripetutamente, fino a quando la goccia non è completamente congelata.

Riprese dal basso

I ricercatori di UT lo hanno osservato filmando il congelamento della gocciolina dal basso, esattamente in superficie. La luce laser viene riflessa sull'interfaccia e filmata utilizzando una telecamera ad alta velocità. Questo è anche chiamato riflessione interna totale (TIR), e si basa sullo stesso metodo utilizzato per il rilevamento delle impronte digitali. Negli esperimenti, la goccia che cade è di esadecano, che ha un punto di fusione di 18 gradi Celsius. Le onde sono state osservate quando la temperatura superficiale è stata abbassata a 11 gradi al di sotto di questo punto.

Flusso interno

Nella loro spiegazione teorica in PNAS , gli scienziati UT mostrano che la goccia è più fredda nel punto di impatto, questo è, nel mezzo. I cristalli si formano intorno a questo, ma allo stesso tempo, il flusso di fluido interno li spinge ai confini. Questo processo continua a ripetersi finché l'intera goccia non si congela. Lo studio rivela anche che la temperatura della superficie cambia il modo in cui la gocciolina solidificata si attacca alla superficie, cambiando così la facilità con cui può essere "staccato".

La ricerca non solo fornisce informazioni fondamentali sul processo di congelamento, potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare superfici antighiaccio come quelle per gli aeroplani. Può migliorare le tecniche di stampa 3D che utilizzano la solidificazione della cera fusa. E può aiutare a far progredire la litografia ultravioletta estrema (EUV) per la produzione di chip. Là, goccioline di metallo fuso che si solidificano sugli specchi potrebbero ostacolare l'intero processo.

La carta, "Cinetica di congelamento rapido all'interno di una goccia che impatta su una superficie fredda, " è pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).