Для производства льда требуется нечто большее, чем просто отрицательная температура. Этот непредсказуемый процесс требует микроскопических структур, случайных встрясок и зачастую небольшого количества бактерий. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Новые расчеты показывают, что кристаллизация льда происходит быстрее всего — эта замедленная съемка охватывает всего несколько наносекунд — когда вода достигает критической точки, называемой переходом жидкость-жидкость.
Введение
В начальной школе нас учат, что вода замерзает при нуле Цельсия, но это редко соответствует действительности. В облаках учёные обнаружили переохлаждённые капли воды с температурой до минус 40 °C, а в 2014 году в лаборатории им удалось охладить воду до ошеломляющих минус 46 °C, прежде чем она замерзла. Вы можете переохладить воду дома: поместите бутылку дистиллированной воды в морозильник, и она вряд ли кристаллизуется, пока вы её не встряхнёте.
Замерзание обычно не происходит при температуре 0 градусов по той же причине, по которой дрова на заднем дворе не возгораются самопроизвольно. Чтобы разгореться, огню нужна искра. А льду нужно ядро — зародыш льда, вокруг которого всё больше и больше молекул воды выстраиваются в кристаллическую структуру.
Образование этих зародышей называется зародышеобразованием льда. Зародышеобразование в чистой воде при температуре 0 градусов происходит настолько медленно, что его можно было бы считать невозможным вовсе. Однако в природе примеси создают поверхности для зародышеобразования, и эти примеси могут кардинально влиять на скорость и температуру образования льда.
Хотя процесс зарождения льда отнюдь не экзотичен, он остаётся удивительно загадочным. Химики не могут надёжно предсказать воздействие той или иной примеси или поверхности, не говоря уже о том, чтобы разработать такую, которая будет препятствовать или способствовать образованию льда. Но они постепенно решают эту проблему. Они создают компьютерные модели, способные точно воспроизводить поведение воды, и ищут подсказки в природе — белки, вырабатываемые бактериями и грибами, — лучшие известные учёным льдогенераторы.
Понимание того, как образуется лёд, — это больше, чем просто академическое упражнение. Частицы льда образуют ледяные зародыши в облаках, что приводит к образованию большей части осадков, выпадающих на Землю в виде снега и дождя. Несколько засушливых западных штатов используют материалы, образующие лёд, для стимуляции выпадения осадков, а правительственные агентства США, включая Национальное управление океанических и атмосферных исследований и ВВС, экспериментировали с образованием лёдовых зародышей для борьбы с засухой или в качестве военной тактики. (Возможно, снежные бури могли бы застать противника врасплох.) А в некоторых странах самолёты, борющиеся с градом, распыляют йодид серебра — вещество, которое способствует замерзанию мелких капель, препятствуя образованию крупных градин.
Конрад Мейстер, биофизик-химик из Университета штата Бойсе в Айдахо, использует видеостену для изучения структуры белков, образующих ядра льда.
Но ещё многое предстоит узнать. «Все согласны с тем, что лёд образуется», — сказала Валерия Молинеро, физико-химик из Университета Юты, которая занимается компьютерным моделированием воды. «А вот дальше возникают вопросы».
Замерзающая вода
Особенность нуля градусов заключается в том, что при этой температуре или ниже превращение воды из жидкости в лёд энергетически оправдано. Ниже этого порога кристаллическая структура льда обладает меньшей энергией, чем плещущиеся молекулы воды. Процесс замерзания воды фактически выделяет тепло, поэтому с помощью инфракрасной камеры можно наблюдать, как лёд нагревается по мере затвердевания.
Зарождение льда начинается, когда случайное хаотичное движение формирует небольшой участок треугольных молекул H₂O в шестиугольную ледяную структуру. Этот ледяной зародыш может превратиться в зародыш и начать процесс замерзания. Или же он может просто раствориться. Это связано с существованием энергетического барьера, препятствующего росту зародышей. Образование границы раздела между льдом и водой требует больших энергетических затрат; молекулы, образующие ледяную структуру, упираются в молекулы окружающей жидкости, и возникающий дисбаланс сил делает границу раздела неустойчивой. Пока крупинка инея не достигнет определённого размера, стоимость её границы раздела превышает отдачу энергии, выделяемой образовавшимся внутри льдом.
Этот барьер для зародышеобразования подобен нахождению на вершине морской скалы в жаркий день, говорит Конрад Майстер, биофизик-химик из Университета штата Бойсе, изучающий биологические антифризы и вещества, способствующие образованию кристаллов льда. Вам жарко, и вы предпочли бы оказаться в воде. Но без порыва ветра, который мог бы вас оттолкнуть, или друга, который подтолкнул бы вас к прыжку, страх парализует вас, удерживая в далеко не идеальном состоянии на вершине скалы.
Снежные пушки, используемые на горнолыжных курортах, распыляют в воздух воду, смешанную с образующим лед агентом, которым часто являются белки бактерии Pseudomonas syringae.
Чем холоднее становится вода, тем меньше становится этот энергетический барьер. Это облегчает случайным молекулярным движениям перемещение крошечной зародышевой ледяной структуры за пределы критического размера. Лёд формируется и растёт, а кристаллическая структура с более низкой энергией остаётся стабильной.
Усиление зародышеобразования
Поверхности и примеси могут значительно снизить энергетический барьер для зародышеобразования и, следовательно, повысить температуру образования льда. «С конца 1970-х годов мы знаем, что существует множество важных характеристик поверхности», — сказала Мириам Фридман, специалист по атмосферной химии из Университета штата Пенсильвания.
Подобно микроскопическим строительным лесам, поверхности с правильной структурой облегчают молекулам воды выстраивание в кристалл. Исследователи выявили несколько факторов, которые могут влиять на способность поверхности к образованию зародышей льда. Кристалличность поверхности, или её структурная упорядоченность, имеет значение. Вещества с химической структурой, имитирующей лёд, как правило, хорошо справляются с образованием зародышей льда. Поры определённого размера ограничивают молекулы воды таким образом, что это также способствует образованию льда.
Майстер и Молинеро вместе работают над раскрытием секретов лучших природных снегогенераторов — бактерий и грибов, чьи белки взаимодействуют с водой, способствуя образованию ледяных кристаллов. Многие из этих организмов являются фитопатогенами, и, возможно, их белки, участвующие в образовании ледяных кристаллов, эволюционировали, чтобы вызывать повреждения от заморозков.
Валерия Молинеро, физико-химик из Университета Юты, создает компьютерные модели воды для изучения образования кристаллов льда.
Самый известный источник льда — бактерия Pseudomonas syringae, которая содержит белок, способный замораживать воду при температуре около -2 градусов Цельсия. «Это настолько хорошо, что все системы искусственного оснежения, по крайней мере в Юте и некоторых других местах США, используют эту бактерию», — сказал Майстер.
Более крупные белки, как правило, лучше подходят для производства льда, возможно, потому, что они действуют как более эффективный шаблон: представьте, что вы пытаетесь построить небоскреб с помощью лесов высотой всего в несколько этажей.
Но, несмотря на всё, что им известно, учёные всё ещё сталкиваются с сюрпризами. Майстер, Молинеро и их соавторы недавно обнаружили исключение из правила «чем больше, тем лучше»: грибковые белки, которые, несмотря на свои крошечные размеры, отлично справляются с нуклеацией льда. Они обходят эту проблему, объединяясь в крупные агрегаты, образующие лёд.
Прогнозирование льда
Молинеро разрабатывает теории и вычислительные модели, описывающие процесс зарождения льда, включая его взаимодействие с поверхностями. В 2009 году она и её коллега Эмили Мур опубликовали упрощённую модель воды, в которой каждая молекула H₂O рассматривается как отдельный атом в форме тетраэдра; удивительно, но компьютерное моделирование этой модели одноатомной воды точно воспроизводит крупномасштабные свойства воды, такие как её плотность. Затем, в 2011 году, Молинеро и Мур использовали модель одноатомной воды, чтобы определить специфическое структурное изменение в переохлаждённой воде, которое устанавливает нижний предел температуры её замерзания. Модель предсказывает, что вода должна замерзать при температуре -48,15 °C.
Совсем недавно, в компьютерном моделировании, опубликованном в мае в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Молинеро и её коллеги показали, что кристаллизация льда происходит быстрее всего, когда температура и давление воды находятся в точке перехода между более плотной и менее плотной жидкой фазами. А в марте на конференции Американского химического общества они представили новую модель, которая может предсказать температуру зарождения льда на заданной поверхности. Модель основана на экспериментальных данных и учитывает ряд факторов: от химического состава поверхности до формы её дефектов.
В зависимости от размера и геометрии, выступы и углубления на поверхности могут сжимать молекулы воды в конфигурации, которые облегчают или затрудняют образование льда. В рамках своей модели команда Молинеро разработала и протестировала новую формулу, описывающую влияние угла наклона выступа или углубления на зародышеобразование льда. Используя эту формулу, Молинеро полагает, что, используя эту формулу, можно будет создавать более эффективные материалы для зародышеобразования льда, просто добавляя дефекты нужного размера и формы. «Можно взять не очень хорошую поверхность и сделать её совершенно выдающейся», — сказала она.
По словам Молинеро, модели, используемые учёными-атмосферологами для прогнозирования поведения облаков, пока не учитывают нюансы зарождения льда. И до сих пор неясно, какие частицы на самом деле играют важнейшую роль в зарождении облаков в природе. Минеральные частицы, такие как сахарская пыль, в изобилии присутствуют в атмосфере и могут способствовать зарождению льда. Но они там не единственные.
«В облаках можно обнаружить некоторые из этих бактерий и некоторые из этих грибков, которые очень хорошо производят лёд», — сказал Майстер. «Это полностью поднимает вопрос: почему идёт дождь?»
Источник: www.quantamagazine.org
