Woda zaskoczyła fizyków. Lód topi się znacznie poniżej temperatury topnienia

Fizyka potrafi zaskakiwać. A szczególnie zaskoczyć może tak powszechnie występujący i – wydawałoby się – prosty oraz dobrze poznany płyn, jak woda. W temperaturze pokojowej kostka lodu topi się na naszych oczach. Jednak okazuje się, że lód topnieje również znacznie poniżej temperatury zamarzania. Naukowcy z Argonne National Laboratory odkryli właśnie topnienie powierzchniowe lodu w temperaturach, w których nie spodziewano się, że takie zjawisko zachodzi.

Ponad 150 lat temu Michael Farady zwrócił uwagę, że powierzchnia lodu jest mokra, nawet gdy panują ujemne temperatury. Spostrzeżenie, że na powierzchni lodu może istnieć warstwa wody każe zastanowić się, w jaki sposób woda zmienia się ze stanu ciekłego w stały czy w parę. I jak, w pewnych warunkach, może jednocześnie istnieć we wszystkich trzech stanach.

Lód jest trudny w obrazowaniu, gdyż jest bardzo niestabilny gdy zostanie poddany działaniu wysokoenergetycznemu strumieniowi elektronów. Ale jeśli uda się nam z powodzeniem zastosować tę technikę w przypadku lodu, obrazowanie innych wrażliwych materiałów powinno być jeszcze łatwiejsze, stwierdził Jianguo Wen z Argonne. Lód jest tani i łatwo dostępny, więc to na nim naukowcy postanowili prowadzić swoje eksperymenty. I przy okazji zaobserwowali topnienie powierzchniowe w niezwykle niskich temperaturach.

Użyta przez nich technika transmisyjnej mikroskopii elektronowej korygowanej o aberracje chromatyczne wykorzystuje specjalistyczną kamerę do rejestrowania elektronów i może posłużyć do badań np. elektrolitów, co powinno doprowadzić do udoskonalenia akumulatorów.

Naukowcy najpierw wykorzystali ciekły azot w o uzyskania kryształów lodu na węglowych nanorurkach przy temperaturze -143,15 stopni Celsjusza. Zaczęli podnosić temperaturę i zauważyli, że doszło do topnienia powierzchniowego. Na załączonym wideo możemy zobaczyć, jak przy stałym ciśnieniu i temperaturze -123,15 stopnia Celsjusza przestrzeń pomiędzy dwoma kryształami lodu zostaje wypełniona. W temperaturze tej, znacznie poniżej punktu topnienia wody, lód utworzył kwaziciekłą warstwę.
Odkrycie każe się zastanowić, jakie właściwości ma zaobserwowana warstwa czy co się stanie, jeśli wraz ze wzrostem temperatury będzie rosło też ciśnienie. Na pytania te można odpowiedzieć dopiero w przyszłości. Rodzi się też pytanie, czy nowa technika pozwoli na obejrzenie procesów, które dotychczas były niedostępne dla badaczy, jak na przykład zobrazowanie momentu, w którym mocno przechłodzona woda gwałtownie zmienia się w lód.

Szczegóły badań zostały omówione w artykule Surface premelting of ice far below the triple point opublikowanym na łamach PNAS.

Woda zaskoczyła fizyków. Lód topi się znacznie poniżej temperatury topnienia