Il gruppo di ricerca, il cui studio è stato pubblicato su Nature Communications , hanno eseguito esperimenti per scoprire la formazione di una pellicola di salamoia (acqua salata) sopra le goccioline di acqua di mare congelata, che in precedenza non era stata segnalata.

Ciò è stato accompagnato dalla comparsa di cristalli di ghiaccio dal fondo della pellicola di salamoia, che crescono fino a perforare la parte superiore della goccia in un fenomeno chiamato "germogliamento del ghiaccio". Questi sono stati convalidati utilizzando simulazioni di dinamica molecolare (MD)

Hanno inoltre condotto un esperimento analogo per misurare i tassi di precipitazione e condensazione del ghiaccio, supportando il meccanismo proposto.

Congelamento puro o con acqua salata

Il congelamento delle goccioline di acqua pura segue in genere un processo ben noto in cui la gocciolina si raffredda gradualmente fino a raggiungere il punto di congelamento. Quindi, i cristalli di ghiaccio si formano e crescono, assumendo una solida struttura di ghiaccio con una punta singolare e appuntita.

D’altro canto, il congelamento delle goccioline di acqua salata introduce ulteriori complessità. Quando la gocciolina si congela, la concentrazione di sale al suo interno influisce sul punto di congelamento, generalmente abbassandolo rispetto all’acqua pura. Ciò fa scomparire anche la punta appuntita della gocciolina, come riportato in ricerche precedenti.

Il processo di formazione di ghiaccio, che si riferisce all'accumulo di ghiaccio su superfici o oggetti a causa del congelamento delle gocce d'acqua, può causare danni a diversi processi, come la navigazione, l'aviazione e le infrastrutture.

Tuttavia, il comportamento delle goccioline di acqua salata introduce ulteriori considerazioni. La presenza di uno strato di salamoia può influenzare l'adesione della gocciolina congelata alle superfici, influenzando potenzialmente le strategie antighiaccio o i rivestimenti superficiali progettati per mitigare la formazione di ghiaccio.

Il primo autore dello studio, il dottor Fuqiang Chu, professore associato presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pechino, ha parlato con Phys.org del loro lavoro.

"Sono curioso del fenomeno della glassa e ho iniziato a studiarlo mentre perseguivo il mio dottorato. Tuttavia, penso che le persone non siano riuscite a comprendere appieno questo fenomeno fino ad ora, specialmente quando si utilizza una goccia binaria, come una goccia salata."

"In questo lavoro, abbiamo studiato il processo di congelamento delle goccioline salate e abbiamo cercato di scoprire l'unicità del congelamento delle goccioline salate rispetto alle goccioline di acqua pura", ha affermato il dottor Chu.

Osservare e analizzare il processo di congelamento

Per studiare il processo di congelamento dell’acqua salata, i ricercatori hanno utilizzato acqua salata con diverse concentrazioni di sale. Hanno utilizzato un modulo di refrigerazione a semiconduttore per fornire un raffreddamento controllato, consentendo loro di regolare la temperatura superficiale al di sotto del punto di congelamento delle goccioline.

Goccioline di acqua salata sono state iniettate sulla superficie sperimentale, dove sono state sottoposte al processo di congelamento. Per registrare e analizzare i fenomeni della formazione di ghiaccio, inclusa la formazione di una pellicola liquida sopra le goccioline congelate, è stata utilizzata la microfotografia ad alta velocità.

Hanno osservato la presenza di salamoia concentrata all'interno delle goccioline salate congelate, indicando un congelamento incompleto, che è diverso dal congelamento delle goccioline di acqua pura.

Sulla base delle misurazioni della temperatura, i ricercatori hanno ideato un metodo per prevedere la durata del congelamento delle goccioline salate. Hanno correlato l'aspetto di una pellicola liquida sopra le goccioline congelate con la fine del processo di congelamento, fornendo un indicatore visivo per la determinazione del tempo di congelamento.

Le simulazioni MD sono state quindi utilizzate per convalidare e integrare i risultati sperimentali offrendo una prospettiva a livello molecolare, consentendo ai ricercatori di comprendere i meccanismi sottostanti che guidano i fenomeni osservati.

Le simulazioni MD miravano a riprodurre le osservazioni sperimentali e fornire ulteriori approfondimenti sulle interazioni molecolari che si verificano durante il congelamento delle goccioline simulando il comportamento di ioni, molecole d'acqua e interfacce di congelamento su scala nanometrica.

Germogliamento del ghiaccio

I ricercatori hanno osservato la formazione di uno strato di salamoia sopra la gocciolina congelata. Questo strato impedisce la formazione di una punta appuntita e mantiene una temperatura stabile all'interno della goccia.

"Dopo la formazione della pellicola salina, alcuni cristalli di ghiaccio iniziano a germogliare sul fondo della pellicola, il che è molto simile al processo di germinazione dei semi. Questo fenomeno della germinazione del ghiaccio mi ha sorpreso, facendomi sentire come se le goccioline fossero vive e coltivando una nuova vita", ha detto il dottor Chu.

Questo fenomeno unico provoca la perforazione della pellicola salina e un'ulteriore crescita di cristalli di ghiaccio nell'aria.

Il fenomeno della formazione del ghiaccio è governato dalla condensazione interfacciale sul film saturo di salamoia in condizioni di aria umida.

In altre parole, poiché la temperatura del film di salamoia è inferiore al punto di rugiada dell'aria circostante (la temperatura alla quale l'aria si satura di vapore acqueo), fa sì che il vapore acqueo dell'aria si condensi sull'interfaccia del film di salamoia. /P>

Questa acqua condensata diluisce il film di salamoia, interrompendone l'equilibrio o l'equilibrio. Come conseguenza di questa diluizione, il film di salamoia diventa sovrasaturo di sale, provocando la precipitazione di cristalli di ghiaccio dall'interno del film. I cristalli di ghiaccio che si formano all'interno della pellicola di salamoia ne aumentano la concentrazione di sale, risaturando così la pellicola di salamoia alla sua temperatura.

"Ciò suggerisce che l'effetto dell'umidità ambientale non può essere ignorato quando si studia la transizione di fase o il processo di cristallizzazione delle soluzioni", ha aggiunto il dottor Chu.

Definizione universale della durata del congelamento

Oltre a questi due fenomeni osservati, i ricercatori hanno proposto una definizione universale di durata del congelamento per quantificare il tasso di formazione di ghiaccio delle goccioline con concentrazioni di sale variabili. Questo è un parametro importante per valutare le prestazioni delle superfici e delle tecnologie antigelo.

"Utilizzando la nostra definizione di durata di congelamento delle goccioline salate, i ricercatori potrebbero essere in grado di valutare quantitativamente le prestazioni dei loro metodi antighiaccio contro le goccioline salate. Ciò potrebbe essere utile per lo sviluppo di tecnologie antighiaccio marine", ha spiegato il dottor Chu.

L'identificazione della formazione della pellicola salina sopra le goccioline congelate fornisce ai ricercatori un modo standardizzato per contrassegnare la fine del processo di congelamento, rendendo più semplice misurare e confrontare il comportamento di congelamento delle goccioline.

Parlando di potenziali applicazioni alle tecnologie antighiaccio, il dottor Chu menziona la riduzione dell'adesione delle goccioline di acqua salata congelata.

"Per una goccia d'acqua salata, l'intero processo di formazione della glassa si manifesta come una crescita casuale di cristalli di ghiaccio e nelle fessure dei cristalli di ghiaccio rimane una salamoia concentrata."

"Di conseguenza, l'adesione delle goccioline di acqua salata congelata non dipende solo dall'area di contatto ma si riferisce anche all'orientamento della crescita dei dendriti del ghiaccio e alla distribuzione della salamoia concentrata. Questi possono essere controllati regolando la posizione dei siti di nucleazione (formazione iniziale) per ottenere una bassa adesione del ghiaccio," ha spiegato il Dr. Chu.