Ijskristallen

De ijskristallen Ze zijn altijd het object van studie geweest door wetenschappers, gezien hun eigenaardige en opvallende vorm. Als we ze onder een microscoop bekijken, kunnen we zien dat ze spectaculaire geometrische vormen hebben en het is opvallend waarom deze geometrische vormen in de natuur worden gegenereerd.

In dit artikel gaan we je vertellen wat de conclusies zijn van verschillende onderzoeken met betrekking tot ijskristallen en wat er tot nu toe is ontdekt.

vorming van ijskristallen

De sterk symmetrische vorm is te danken aan de groei van het reservoir, waar water direct op ijskristallen wordt afgezet en verdampt. Afhankelijk van de omgevingstemperatuur en vochtigheid, ijskristallen kunnen zich op vele symmetrische manieren uit de aanvankelijke hexagonale prisma's ontwikkelen. De mogelijke vormen van ijskristallen zijn zuilvormig, naaldvormig, plaatvormig en dendritisch. Als het kristal migreert naar een gebied met verschillende omgevingsomstandigheden, kan de groeimodus veranderen en kan het uiteindelijke kristal gemengde modi vertonen.

IJskristallen hebben de neiging om te vallen met hun lange assen horizontaal uitgelijnd, en zijn dus zichtbaar op polarimetrische weerradars met verbeterde (positieve) differentiële reflectiewaarden. Het laden van ijskristallen kan andere dan horizontale uitlijningen veroorzaken. Gepolariseerde weerradar kan ook goed geladen ijskristallen detecteren. Temperatuur en vochtigheid bepalen veel verschillende kristalvormen. IJskristallen zijn verantwoordelijk voor verschillende atmosferische optische manifestaties.

Bevroren wolken zijn gemaakt van ijskristallen, vooral cirruswolken en ijsmist. IJskristallen in de troposfeer zorgen ervoor dat de blauwe lucht een beetje wit wordt, wat een teken kan zijn van een naderend front (en regen) als vochtige lucht opstijgt en bevriest tot ijskristallen.

Bij normale temperatuur en druk, watermoleculen zijn V-vormig en twee waterstofatomen zijn onder een hoek van 105° aan zuurstofatomen gebonden. Gemeenschappelijke ijskristallen zijn symmetrisch en zeshoekig

Wanneer ze worden samengeperst tussen twee lagen grafeen, vormen zich bij kamertemperatuur vierkante ijskristallen. Het materiaal is een nieuwe ijskristalfase die wordt gecombineerd met 17 andere ijssoorten. Het onderzoek volgt op een eerdere ontdekking dat waterdamp en vloeibaar water door vellen gelamineerd grafeenoxide kunnen gaan, in tegenstelling tot kleinere moleculen zoals helium. Men denkt dat dit effect wordt veroorzaakt door van der Waals-krachten, die een druk van meer dan 10.000 atmosfeer kunnen veroorzaken.

studies over ijskristallen

Simulaties uitgevoerd op de MareNostrum-supercomputer in Barcelona door onderzoekers van het CSIC en de Complutense Universiteit van Madrid hebben bevestigd dat de sleutel tot de vreemde groei van ijskristallen in hun oppervlaktestructuur ligt

IJsoppervlakken kunnen zich in drie verschillende toestanden bevinden, met verschillende gradaties van wanorde. Passages van de een naar de ander zorgen voor abrupte veranderingen in groeisnelheden als de temperatuur stijgt en leg de verschillende manieren uit (afgeplat, zeshoekig of beide) van ijs- of sneeuwkristallen in de atmosfeer.

De sleutel tot deze specifieke kristalveranderingen en groei is hun oppervlaktestructuur. Een studie uitgevoerd door onderzoekers Luis González MacDowell van de Complutense Universiteit van Madrid (UCM), Eva Noya van het Rocca Solano Instituut voor Fysische Chemie (IQFR) van de Hoge Commissaris voor Wetenschappelijk Onderzoek en Pablo Llombart van beide instellingen toont dit enigszins aan. . Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

"De reden voor deze verandering was tot nu toe een mysterie", zegt González MacDowell, eraan herinnerend dat de Japanse onderzoeker Ukichiro Nakaya in de jaren dertig de kleinste ijskristallen ontdekte, diamantstof genaamd, in de vorm van een zeshoekig prisma. Deze prisma's kunnen plat zijn, zoals een ruit, of langwerpig, zoals een potlood of een zeshoekig prisma, en kunnen bij een bepaalde temperatuur van de ene vorm in de andere veranderen.

Simulaties

De onderzoekers zagen dat het ijsoppervlak bij lage temperaturen glad en relatief ordelijk was. Wanneer de dampmoleculen met het oppervlak botsen, ze kunnen geen plek vinden om naar binnen te rennen en snel te verdampen, waardoor de kristalgroei erg traag is.

Maar bij hogere temperaturen wordt het ijsoppervlak meer wanordelijk, met veel stappen. Dampmoleculen vinden gemakkelijk hun plaats op de treden en kristallen groeien snel.

"We hebben vastgesteld dat deze verandering niet geleidelijk was, maar plaatsvond als gevolg van een zeer specifieke overgang die een topologische overgang wordt genoemd. Maar wat het ijs nog ongebruikelijker maakte, was dat plotseling, toen de buitenste schil van het kristal smolt, het oppervlak weer gladder en rommeliger is," zei Noah.

Wanneer het weer heel glad wordt, wordt de kristalgroei aan die kant van het kristal erg langzaam, maar niet aan de andere kant. Plots groeien sommige snel, andere langzaam, en de vorm van de kristallen verandert, zoals Nakatani meer dan 90 jaar geleden in experimenten opmerkte.

Simulatie in MareNostrum

Aangezien ijs een complexe stof is die vanwege de snelle verdamping met experimentele technieken moet worden onderzocht, zijn er acht maanden lang simulaties uitgevoerd op de grootste computer van Spanje, MareNostrum (BSC-CNS).

“Het rekenwerk heeft ons in staat gesteld het pad te bepalen van elk watermolecuul dat het kristal vormt; maar om een ​​klein kristal te vormen, hebben we natuurlijk honderdduizenden moleculen nodig, dus de hoeveelheid rekenwerk die nodig is om deze studie te doen is enorm. zegt Llombart Say.

González MacDowell concludeerde dat deze resultaten “zeer interessant zijn, maar wetenschappelijk onderzoek moet altijd worden bevestigd door nieuwe berekeningen en validaties. Ondanks deze voorzichtigheid zijn we blij dat onze inspanningen vruchten hebben afgeworpen in de vorm van interessante resultaten, omdat er veel mislukte pogingen nodig waren om financiering te krijgen.”

Daarnaast herinnert de chemicus zich dat atmosferische sneeuwkristallen een belangrijke rol spelen bij de opwarming van de aarde: “Om de impact op klimaatverandering te begrijpen, moeten we de vorm en groeisnelheid begrijpen. Dus ons beter begrip stelt ons in staat om een ​​nieuw stukje in de puzzel van meerdere miljoenen dollars te leggen."

Ik hoop dat je met deze informatie meer te weten kunt komen over ijskristallen en hun eigenschappen.