Ledo kristalai

Los ledo kristalai Dėl savo ypatingos ir įspūdingos formos jie visada buvo mokslininkų tyrimo objektas. Jei pažvelgsime į juos pro mikroskopą, pamatysime, kad jie turi įspūdingų geometrinių formų, ir stebina, kodėl šios geometrinės figūros susidaro gamtoje.

Šiame straipsnyje mes jums pasakysime, kokios yra įvairių su ledo kristalais susijusių tyrimų išvados ir kas buvo atrasta iki šiol.

ledo kristalų susidarymas

Labai simetriška forma atsiranda dėl rezervuaro augimo, kur vanduo nusėda tiesiai ant ledo kristalų ir išgaruoja. Priklausomai nuo aplinkos temperatūros ir drėgmės, ledo kristalai iš pradinių šešiakampių prizmių gali išsivystyti daugeliu simetriškų būdų. Galimos ledo kristalų formos yra stulpinės, adatos, plokštelės ir dendritinės. Jei kristalas migruoja į skirtingų aplinkos sąlygų regioną, augimo režimas gali pasikeisti ir galutiniame kristale gali būti mišrūs režimai.

Ledo kristalai linkę kristi, kai jų ilgos ašys yra išlygiuotos horizontaliai, todėl yra matomos poliarimetriniuose oro radaruose su padidintomis (teigiamais) diferencinio atspindžio vertėmis. Ledo kristalų apkrova gali sukelti ne horizontalų išlygiavimą. Poliarizuotas oro radaras taip pat gali gerai aptikti įkrautus ledo kristalus. Temperatūra ir drėgmė lemia daugybę skirtingų kristalų formų. Ledo kristalai yra atsakingi už keletą atmosferos optinių apraiškų.

Sušalę debesys susideda iš ledo kristalų, ypač plunksniniai debesys ir stingdantis rūkas. Dėl ledo kristalų troposferoje mėlynas dangus tampa šiek tiek baltas, o tai gali būti artėjančio fronto (ir lietaus) ženklas, nes drėgnas oras kyla aukštyn ir sustingsta į ledo kristalus.

Esant normaliai temperatūrai ir slėgiui, vandens molekulės yra V formos ir du vandenilio atomai yra sujungti su deguonies atomais 105° kampu. Įprasti ledo kristalai yra simetriški ir šešiakampiai

Suspaudus tarp dviejų grafeno sluoksnių, kambario temperatūroje susidaro kvadratiniai ledo kristalai. Medžiaga yra nauja ledo kristalų fazė, kuri dera su 17 kitų ledų. Tyrimas tęsiasi po ankstesnio atradimo, kad vandens garai ir skystas vanduo gali prasiskverbti per laminuoto grafeno oksido lakštus, skirtingai nei mažesnės molekulės, tokios kaip helis. Manoma, kad šį poveikį lemia van der Waals jėgos, kurios gali apimti slėgį, viršijantį 10.000 XNUMX atmosferų.

Ledo kristalų tyrimai

CSIC ir Madrido Complutense universiteto mokslininkų MareNostrum superkompiuteriu Barselonoje atlikti modeliavimai patvirtino, kad raktas į keistą ledo kristalų augimą slypi jų paviršiaus struktūroje.

Ledo paviršiai gali būti trijų skirtingų būsenų ir nevienodo laipsnio. Perėjimai iš vieno į kitą sukelia staigius pokyčius augimo tempus kylant temperatūrai ir paaiškinti skirtingus būdus (išlygintas, šešiakampis arba abu) iš atmosferoje esančių ledo ar sniego kristalų.

Šių specifinių kristalų pokyčių ir augimo raktas yra jų paviršiaus struktūra. Tyrimas, kurį atliko mokslininkai Luisas Gonzálezas MacDowellas iš Madrido Complutense universiteto (UCM), Eva Noya iš Rocca Solano fizinės chemijos instituto (IQFR), vyriausiojo mokslinių tyrimų komisaro, ir Pablo Llombart iš abiejų institucijų. . Straipsnis buvo paskelbtas žurnale Science Advances.

„Šio pokyčio priežastis iki šiol buvo paslaptis“, – sako Gonzálezas MacDowellas, primindamas, kad japonų tyrinėtojas Ukichiro Nakaya praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje atrado mažiausius ledo kristalus, vadinamus deimantų dulkėmis, kurių forma primena šešiakampę prizmę. Šios prizmės gali būti plokščios, kaip pastilė, arba pailgos, kaip pieštukas ar šešiakampė prizmė, ir tam tikroje temperatūroje gali transformuotis iš vienos formos į kitą.

Simuliacijos

Tyrėjai pastebėjo, kad esant žemai temperatūrai ledo paviršius buvo lygus ir gana tvarkingas. Kai garų molekulės susiduria su paviršiumi, jie neranda kur įskubėti ir greitai išgaruoja, dėl to kristalų augimas labai lėtas.

Tačiau esant aukštesnei temperatūrai, ledo paviršius tampa labiau netvarkingas, daug žingsnių. Garų molekulės gali lengvai rasti vietą ant laiptelių, o kristalai sparčiai auga.

"Mes pastebėjome, kad šis pokytis nebuvo laipsniškas, bet įvyko dėl labai specifinio perėjimo, vadinamo topologiniu perėjimu. Tačiau ledą dar labiau neįprastą padarė tai, kad staiga, kai išsilydo išorinis kristalo apvalkalas, paviršius vėl tampa lygesnis ir netvarkingas“, – sakė Nojus.

Kai jis vėl tampa labai lygus, kristalų augimas tampa labai lėtas toje kristalo pusėje, bet ne kitoje pusėje. Staiga vieni auga greitai, kiti auga lėtai, keičiasi kristalų forma, kaip daugiau nei prieš 90 metų eksperimentuose pastebėjo Nakatani.

Modeliavimas MareNostrum

Atsižvelgiant į tai, kad ledas yra sudėtinga medžiaga, kurią dėl greito išgaravimo reikia tirti eksperimentiniais metodais, aštuonis mėnesius buvo vykdomi modeliai didžiausiu Ispanijos kompiuteriu „MareNostrum“ (BSC-CNS).

„Skaičiavimo darbas leido mums nustatyti kiekvienos vandens molekulės, sudarančios kristalą, kelią; bet, žinoma, norint suformuoti nedidelį kristalą, mums reikia šimtų tūkstančių molekulių, todėl šiam tyrimui atlikti reikia milžiniškų skaičiavimų. sako Llombartas Say.

Gonzálezas MacDowellas padarė išvadą, kad šie rezultatai yra „labai įdomūs, tačiau mokslinius tyrimus visada reikia patvirtinti naujais skaičiavimais ir patvirtinimais. Nepaisant šio atsargumo, džiaugiamės, kad mūsų pastangos davė vaisių – įdomių rezultatų, nes prireikė daugybės nesėkmingų bandymų gauti finansavimą.

Be to, chemikas primena, kad atmosferos sniego kristalai vaidina svarbų vaidmenį visuotiniame atšilime: „Norėdami suprasti klimato kaitos poveikį, turime suprasti jos formą ir augimo tempą. Taigi mūsų geresnis supratimas leidžia mums įdėti dar vieną gabalėlį į kelių milijonų dolerių dėlionę.

Tikiuosi, kad turėdami šią informaciją galėsite daugiau sužinoti apie ledo kristalus ir jų savybes.