Naukowcy zamrażają wodę za pomocą ciepła

Wyobraź sobie wodę zamrażającą ciało stałe, nawet gdy się nagrzewa. Takie są dziwaczne sztuczki, do których naukowcy odkryli, że woda jest zdolna.

Powszechne przekonanie głosi, że woda zamarza w temperaturze 32 stopni Fahrenheita (0 stopni Celsjusza). Zaskakująco, jeśli woda leży w gładkiej butelce i jest wolna od jakiegokolwiek pyłu, może pozostać płynna aż do minus 40 stopni F (minus 40 stopni C) w tak zwanej „superchłodzonej” formie. Pył i chropowate powierzchnie, z którymi woda normalnie styka się w przyrodzie, mogą służyć jako jądra, wokół których tworzą się kryształy lodu.

Teraz badacz Igor Lubomirsky z Weizmann Institute of Science w Rehovot w Izraelu i jego koledzy odkryli inny sposób kontrolowania temperatury zamarzania wody – poprzez tak zwane quasi-amorficzne piroelektryczne cienkie warstwy. Powierzchnie te zmieniają swój ładunek elektryczny w zależności od temperatury.

Gdy powierzchnie piroelektryczne są naładowane dodatnio, woda łatwiej zamarza, a gdy mają ładunek ujemny, trudniej ją zamrozić.

Badacze zauważyli, że przechłodzona woda może zamarzać, gdy jest podgrzewana, o ile temperatura zmienia również ładunek powierzchniowy. Na przykład, gdy przechłodzona woda znajduje się na ujemnie naładowanej powierzchni tantalanu litu, natychmiast zamarza, gdy powierzchnia jest podgrzewana do 17,6 stopni F (minus 8 stopni C), a jej ładunek zmienia się na dodatni.

Co ciekawe, dodatnio naładowane powierzchnie inspirują przechłodzoną wodę do zamarzania od dołu do góry, podczas gdy ujemnie naładowane powierzchnie powodują zamarzanie z góry na dół. Ma to prawdopodobnie związek z tym, jak orientują się cząsteczki wody – ujemnie naładowane atomy tlenu w cząsteczkach wody naturalnie kierują się w stronę dodatnio naładowanych powierzchni, podczas gdy odwrotnie jest z atomami wodoru.

„Różnica między ładunkiem dodatnim i ujemnym była nieoczekiwana” – powiedział Lubomirsky.

Możliwość lepszej kontroli temperatury zamarzania przechłodzonej wody może być krytyczna dla wielu zastosowań, w tym przetrwania zwierząt zimnokrwistych, kriokonserwacji komórek i tkanek, ochrony upraw przed zamarzaniem oraz możliwości zrozumienia i wywołania formowania się chmur.

Naukowcy wyszczególnili swoje odkrycia w numerze czasopisma Science z 5 lutego.

• Najpopularniejsze mity w nauce
• Czy gorąca woda zamarza szybciej niż zimna?
• Top 10 największych tajemnic w nauce

.