Ученые выяснили, как получить менее липкий лед

Готовясь к зиме многие американцы столкнутся с одним из самых суровых врагов — льдом. Скопление льда на поверхностях приносит много бед — от задержки рейсов до скользких дорог.

Но не все льды одинаковы. В новом исследовании Чикагского университета Иллинойса ученые изучили липкость льда, содержащего такие повседневные загрязнители, как соль, мыло и спирт. В большинстве лабораторных исследований обычно тестируется лед, сделанный из чистой воды, но в природе лед редко бывает чистым.

Будь то грязные тротуары или корпус арктических морских судов, там всегда есть примеси, — говорит старший автор исследования Сушант Ананд, доцент кафедры механической и промышленной инженерии UIC.

Естественный вопрос, который приходит на ум: как влияют эти соединения на то, насколько прочно лед прилипает к поверхностям?

В лаборатории Ананда подготовили лед с различной концентрацией загрязняющих веществ и проверили, насколько прочно они прилипают к различным промышленным материалам. Удивительно, но они обнаружили, что при определенных условиях нечистый лед был гораздо менее липким, чем лед, приготовленный из чистой воды.

Причиной такой скользкости стал способ замерзания воды, содержащей примеси, и уникальная структура в месте соприкосновения льда с твердым материалом, называемая квазижидким слоем.

Область льда вблизи твердого тела обладает свойствами, подобными жидкости, и ее толщина может влиять на то, насколько плотно прилипает лед, — говорит Ананд.

Но эту область очень сложно проанализировать с помощью экспериментов.

Поэтому он объединился с коллегой из Калифорнийского университета Субраманианом Санкаранаянаном и его группой из Калифорнийского университета и Аргоннской национальной лаборатории, чтобы изучить этот слой и то, как он изменяется при различных уровнях содержания примесей, используя моделирование молекулярной динамики. Они обнаружили, что при замерзании нечистой воды из нее выделяются загрязняющие вещества, которые стекают по каналам и границам ледяных зерен к основанию льда, где образуют жидкий слой, придающий льду дополнительную скользкость.

Эти открытия могут привести к разработке методов зимовки нового поколения, которые будут медленно высвобождать загрязняющие вещества, способствуя более легкому осыпанию льда, — говорит аспирант Рукмава Чаттерджи, первый автор статьи.

Удивительные результаты испытаний подняли еще один вопрос: если небольшая концентрация соли снижает вероятность прилипания льда к поверхностям, то почему суда в арктическом климате, плавающие в соленой воде, все равно сталкиваются с проблемой образования льда?

Эксперименты показали, что скорость замерзания воды может влиять на то, как примеси мигрируют в области, где лед соприкасается с твердым телом. Медленное замораживание приводит к выделению загрязняющих веществ в концентрированные карманы или даже к их полному вытеснению, в результате чего образуется более чистый и прочный лед. Более быстрое замораживание сохраняет загрязняющие вещества внутри льда и их скопление на границе раздела лед-твердое тело, что приводит к ослаблению адгезии.

Наше исследование представляет собой лишь вершину айсберга, открывая новые направления изучения сцепления нечистого льда с широкими последствиями для различных дисциплин, — сказал Ананд.

28.11.2023