Kryształy lodu

L Kryształy lodu Od zawsze były przedmiotem badań naukowców ze względu na ich osobliwy i uderzający kształt. Jeśli spojrzymy na nie pod mikroskopem, zobaczymy, że mają spektakularne geometryczne kształty i uderzające jest, dlaczego te geometryczne kształty powstają w naturze.

W tym artykule opowiemy, jakie są wnioski z różnych badań związanych z kryształami lodu i co zostało odkryte do tej pory.

tworzenie się kryształków lodu

Wysoce symetryczny kształt wynika z rozrostu zbiornika, w którym woda osadza się bezpośrednio na kryształkach lodu i odparowuje. W zależności od temperatury i wilgotności otoczenia, kryształki lodu mogą rozwijać się z początkowych sześciokątnych pryzmatów na wiele symetrycznych sposobów. Możliwe kształty kryształków lodu to: kolumnowy, igłowy, płytkowy i dendrytyczny. Jeśli kryształ migruje do regionu o różnych warunkach środowiskowych, tryb wzrostu może się zmienić, a końcowy kryształ może wykazywać tryby mieszane.

Kryształy lodu mają tendencję do opadania z ich długimi osiami ustawionymi poziomo, a zatem są widoczne na polarymetrycznych radarach pogodowych o zwiększonych (dodatnich) wartościach różnicowego współczynnika odbicia. Ładowanie kryształków lodu może powodować wyrównanie inne niż poziome. Spolaryzowany radar pogodowy może również dobrze wykrywać naładowane kryształki lodu. Temperatura i wilgotność determinują wiele różnych form kryształów. Kryształy lodu są odpowiedzialne za kilka atmosferycznych manifestacji optycznych.

Zamarznięte chmury składają się z kryształków lodu, zwłaszcza chmur cirrus i marznącej mgły. Kryształki lodu w troposferze powodują, że błękitne niebo staje się lekko białe, co może być oznaką zbliżającego się frontu (i deszczu), gdy wilgotne powietrze unosi się i zamarza w kryształki lodu.

W normalnej temperaturze i ciśnieniu, cząsteczki wody mają kształt litery V, a dwa atomy wodoru są połączone z atomami tlenu pod kątem 105°. Typowe kryształki lodu są symetryczne i sześciokątne

Po sprasowaniu między dwiema warstwami grafenu w temperaturze pokojowej tworzą się kwadratowe kryształki lodu. Materiał to nowa faza kryształków lodu, która łączy się z 17 innymi lodami. Badania opierają się na wcześniejszym odkryciu, że para wodna i woda w stanie ciekłym mogą przechodzić przez arkusze laminowanego tlenku grafenu, w przeciwieństwie do mniejszych cząsteczek, takich jak hel. Uważa się, że efekt ten jest napędzany przez siły van der Waalsa, które mogą obejmować ciśnienie przekraczające 10.000 XNUMX atmosfer.

badania kryształków lodu

Symulacje przeprowadzone na superkomputerze MareNostrum w Barcelonie przez naukowców z CSIC i Uniwersytetu Complutense w Madrycie potwierdziły, że klucz do dziwnego wzrostu kryształków lodu tkwi w ich strukturze powierzchni

Powierzchnie lodu mogą znajdować się w trzech różnych stanach o różnym stopniu nieuporządkowania. Przejścia od jednego do drugiego powodują gwałtowne zmiany w tempo wzrostu wraz ze wzrostem temperatury i wyjaśnij różne sposoby (spłaszczone, sześciokątne lub oba) z kryształków lodu lub śniegu w atmosferze.

Kluczem do tych specyficznych zmian i wzrostu kryształów jest ich struktura powierzchni. Badanie przeprowadzone przez naukowców Luisa Gonzáleza MacDowella z Uniwersytetu Complutense w Madrycie (UCM), Evę Noya z Instytutu Chemii Fizycznej Rocca Solano (IQFR) Wysokiego Komisarza ds. Badań Naukowych i Pablo Llombarta z obu instytucji nieco to pokazuje. . Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Science Advances.

„Powód tej zmiany był do tej pory tajemnicą” – mówi González MacDowell, przypominając, że japoński badacz Ukichiro Nakaya odkrył w latach 1930. XX wieku najmniejsze kryształki lodu, zwane diamentowym pyłem, w kształcie sześciokątnego pryzmatu. Te pryzmaty mogą być płaskie, jak romby, lub wydłużone, jak ołówek lub pryzmat sześciokątny i mogą zmieniać się z jednego kształtu w inny w określonej temperaturze.

Symulacje

Naukowcy zaobserwowali, że w niskich temperaturach powierzchnia lodu była gładka i stosunkowo uporządkowana. Kiedy cząsteczki pary zderzają się z powierzchnią, nie mogą znaleźć miejsca do pośpiechu i szybkiego odparowania, co sprawia, że ​​wzrost kryształów jest bardzo powolny.

Ale w wyższych temperaturach powierzchnia lodu staje się bardziej nieuporządkowana, z wieloma etapami. Cząsteczki pary mogą łatwo znaleźć swoje miejsce na schodach, a kryształy szybko rosną.

„Zaobserwowaliśmy, że ta zmiana nie była stopniowa, ale nastąpiła z powodu bardzo specyficznego przejścia zwanego przejściem topologicznym. Ale to, co uczyniło lód jeszcze bardziej niezwykłym, to to, że nagle, gdy zewnętrzna powłoka kryształu stopiła się, powierzchnia znów stała się gładsza i bardziej nieporządna” – powiedział Noah.

Kiedy znowu staje się bardzo gładka, wzrost kryształu staje się bardzo powolny po tej stronie kryształu, ale nie po drugiej stronie. Nagle jedne rosną szybko, inne powoli, a kształt kryształów się zmienia, jak zaobserwował Nakatani w eksperymentach ponad 90 lat temu.

Symulacja w MareNostrum

Biorąc pod uwagę, że lód jest złożoną substancją, którą należy badać za pomocą technik eksperymentalnych ze względu na jego szybkie parowanie, symulacje prowadzono przez osiem miesięcy na największym komputerze w Hiszpanii, MareNostrum (BSC-CNS).

„Prace obliczeniowe pozwoliły nam określić ścieżkę każdej cząsteczki wody, która tworzy kryształ; ale oczywiście, aby utworzyć mały kryształ, potrzebujemy setek tysięcy cząsteczek, więc ilość obliczeń wymaganych do przeprowadzenia tego badania jest ogromna. mówi Llombart Say.

González MacDowell stwierdził, że wyniki te są „bardzo interesujące, ale badania naukowe zawsze muszą być potwierdzone nowymi obliczeniami i walidacjami. Mimo tej ostrożności cieszymy się, że nasze starania zaowocowały ciekawymi wynikami, ponieważ wymagało to wielu nieudanych prób pozyskania finansowania.”

Ponadto chemik przypomina, że ​​kryształy śniegu atmosferycznego odgrywają ważną rolę w globalnym ociepleniu: „Aby zrozumieć wpływ na zmianę klimatu, musimy zrozumieć jej kształt i tempo wzrostu. Więc nasze lepsze zrozumienie pozwala nam umieścić kolejny element w wielomilionowej układance”.

Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom możesz dowiedzieć się więcej o kryształkach lodu i ich właściwościach.