Вода окружает нас повсюду и бывает разной: снег, дождь со снегом, град, иней… Казалось бы, мы знаем о ней всё. Но даже сейчас ученые до конца не понимают, как именно вода превращается в лед.

Недавно в Journal of Colloid and Interface Science вышла статья исследователей из Токийского университета. Они провели серию молекулярных симуляций, чтобы выяснить, почему лед чаще образуется на поверхностях, а не в толще воды.

Все знают, что вода замерзает при 0°C, но это не происходит мгновенно. Сначала появляются крошечные кристаллики льда — «зародыши», — а затем лед растет, захватывая все пространство. Чем холоднее, тем быстрее идет этот процесс. Но на микроскопическом уровне важны и другие факторы.

Если понаблюдать, как замерзает стакан воды, видно, что лед сначала образуется у стенок и только потом распространяется внутрь, — говорит Ган Сан, ведущий автор исследования. — Значит, взаимодействие молекул воды с поверхностью играет ключевую роль.

Чтобы разобраться в деталях, ученые провели сложные компьютерные моделирования.

Они учитывали температуру, силу взаимодействия молекул и другие параметры, но один фактор оказался неожиданно важным.

Многие думают, что главное — насколько поверхность «любит» лед, — объясняет Хадзиме Танака, старший автор работы. — Но наши расчеты показали: куда важнее, как расположены молекулы воды в двух ближайших к поверхности слоях. Именно их упорядоченная структура запускает образование кристаллической решетки, которая затем распространяется вглубь.

При этом гидрофильность поверхности (то, насколько сильно она притягивает воду) тоже имеет значение. Если притяжение слишком сильное, молекулы воды теряют порядок, и лед образуется хуже. Идеальный вариант — когда поверхность не мешает, но и не мешает слишком сильно.

Эти знания помогут создавать покрытия, которые либо ускоряют, либо замедляют образование льда. Кроме того, тот же механизм может работать и в других жидкостях, например, в расплавленном кремнии или углероде. Это важно для климатологии, электроники и других областей, где контроль над кристаллизацией открывает новые возможности.

Это — фундаментальное открытие, но у него есть и практические применения:

• Антиобледенительные покрытия — можно создавать материалы, которые либо предотвращают обледенение (например, на крыльях самолетов), либо, наоборот, ускоряют замерзание (в холодильных системах).
• Климатические модели — понимание nucleation поможет точнее предсказывать образование льда в атмосфере, что важно для метеорологии.
• Нанотехнологии — контроль кристаллизации критичен при создании полупроводников и других материалов с заданными свойствами.

Отметим, однако, что моделирование — мощный инструмент, но оно всегда упрощает реальность. В данном случае авторы рассматривали идеализированные поверхности, тогда как в природе и технике они часто шероховатые, загрязненные или химически неоднородные. Не факт, что механизм будет работать так же в реальных условиях.

А ведь, казалось бы, ранее ученые исследовали лед вдоль и поперек.