Кристаллы льда

кристаллы льда Они всегда были объектом изучения ученых, учитывая их своеобразную и поразительную форму. Если мы посмотрим на них под микроскопом, то увидим, что они имеют захватывающую геометрическую форму, и поразительно, почему эти геометрические формы генерируются в природе.

В этой статье мы расскажем вам, каковы выводы различных исследований, связанных с кристаллами льда, и что было обнаружено на сегодняшний день.

образование кристаллов льда

Сильно симметричная форма обусловлена ​​ростом резервуара, где вода откладывается непосредственно на кристаллах льда и испаряется. В зависимости от температуры окружающей среды и влажности, кристаллы льда могут развиваться из исходных шестиугольных призм многими симметричными способами. Возможные формы кристаллов льда: столбчатые, игольчатые, пластинчатые и дендритные. Если кристалл мигрирует в область с другими условиями окружающей среды, режим роста может измениться, и конечный кристалл может демонстрировать смешанные режимы.

Кристаллы льда имеют тенденцию падать так, что их длинные оси выровнены горизонтально, и поэтому они видны на поляриметрических метеорологических радарах с повышенными (положительными) значениями дифференциального отражения. Загрузка ледяных кристаллов может привести к выравниванию, отличному от горизонтального. Поляризованный метеорологический радар также может хорошо обнаруживать заряженные кристаллы льда. Температура и влажность определяют множество различных форм кристаллов. Кристаллы льда ответственны за несколько атмосферных оптических проявлений.

Замерзшие облака состоят из кристаллов льда, особенно перистые облака и ледяной туман. Ледяные кристаллы в тропосфере заставляют голубое небо слегка белеть, что может быть признаком приближающегося фронта (и дождя), когда влажный воздух поднимается и замерзает в кристаллы льда.

При нормальной температуре и давлении, молекулы воды имеют V-образную форму, а два атома водорода связаны с атомами кислорода под углом 105°. Кристаллы обычного льда симметричны и имеют шестиугольную форму.

При сжатии между двумя слоями графена при комнатной температуре образуются квадратные кристаллы льда. Материал представляет собой новую кристаллическую фазу льда, которая сочетается с 17 другими видами льда. Исследование следует из более раннего открытия, что водяной пар и жидкая вода могут проходить через листы ламинированного оксида графена, в отличие от более мелких молекул, таких как гелий. Считается, что этот эффект вызван силами Ван-дер-Ваальса, которые могут включать давление, превышающее 10.000 XNUMX атмосфер.

исследования кристаллов льда

Моделирование, проведенное на суперкомпьютере MareNostrum в Барселоне исследователями из CSIC и Мадридского университета Комплутенсе, подтвердило, что ключ к странному росту кристаллов льда лежит в структуре их поверхности.

Ледяные поверхности могут находиться в трех различных состояниях с разной степенью беспорядка. Переходы от одного к другому вызывают резкие изменения в темпы роста по мере повышения температуры и объясняют различные способы (плоские, шестиугольные или и те, и другие) из ледяных или снежных кристаллов в атмосфере.

Ключом к этим специфическим изменениям и росту кристаллов является их поверхностная структура. Исследование, проведенное исследователями Луисом Гонсалесом Макдауэллом из Мадридского университета Комплутенсе (UCM), Евой Нойей из Института физической химии Рокка Солано (IQFR) Верховного комиссара по научным исследованиям и Пабло Лломбартом из обоих учреждений, демонстрирует это. . Статья опубликована в журнале Science Advances.

«Причина этого изменения до сих пор оставалась загадкой», — говорит Гонсалес МакДауэлл, напоминая, что японский исследователь Укичиро Накая обнаружил в 1930-х годах мельчайшие кристаллы льда, называемые алмазной пылью, имеющие форму шестиугольной призмы. Эти призмы могут быть плоскими, как ромб, или удлиненными, как карандаш или шестиугольная призма, и могут переходить из одной формы в другую при определенной температуре.

Симуляторы

Исследователи заметили, что при низких температурах поверхность льда была гладкой и относительно упорядоченной. Когда молекулы пара сталкиваются с поверхностью, им некуда ворваться и быстро испариться, что делает рост кристаллов очень медленным.

Но при более высоких температурах поверхность льда становится более неупорядоченной, многоступенчатой. Молекулы пара легко находят свое место на ступенях, и кристаллы быстро растут.

«Мы заметили, что это изменение не было постепенным, а произошло благодаря очень специфическому переходу, называемому топологическим переходом. Но что делало лед еще более необычным, так это то, что внезапно, когда внешняя оболочка кристалла таяла, поверхность снова становилась более гладкой и грязной», — сказал Ной.

Когда он снова становится очень гладким, рост кристалла становится очень медленным на одной стороне кристалла, но не на другой стороне. Внезапно одни растут быстро, другие медленно, и форма кристаллов меняется, как наблюдал Накатани в экспериментах более 90 лет назад.

Моделирование в MareNostrum

Учитывая, что лед представляет собой сложное вещество, которое необходимо изучать с помощью экспериментальных методов из-за его быстрого испарения, моделирование велось в течение восьми месяцев на самом большом компьютере в Испании MareNostrum (BSC-CNS).

«Вычислительная работа позволила нам определить путь каждой молекулы воды, образующей кристалл; но, конечно, для формирования маленького кристалла нам нужны сотни тысяч молекул, поэтому объем вычислений, необходимых для проведения этого исследования, огромен. говорит Лломбарт Сэй.

Гонсалес Макдауэлл пришел к выводу, что эти результаты «очень интересны, но научные исследования всегда должны подтверждаться новыми расчетами и проверками. Несмотря на это предостережение, мы рады, что наши усилия принесли свои плоды в виде интересных результатов, поскольку для получения финансирования потребовалось много безуспешных попыток».

Кроме того, химик напоминает, что важную роль в глобальном потеплении играют атмосферные снежные кристаллы: «Чтобы понять влияние на изменение климата, нам необходимо понять его форму и темпы роста.. Таким образом, наше лучшее понимание позволяет нам добавить еще один кусочек в многомиллионную головоломку».

Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о кристаллах льда и их характеристиках.