Американские химики из Чикагского университета впервые математически объяснили, почему вода превращается в лед при разных температурах. Их расчеты позволят точно контролировать процесс образования снега и льда. Исследование опубликовано в сборнике материалов ежегодного собрания Американского химического общества (ACS).
Принято считать, что вода меняет агрегатное состояние с жидкого на твердое при 0 °C. Но в действительности температура фазового перехода воды при обычном давлении зависит от различных примесей. Например, чтобы заморозить абсолютно чистую дистиллированную воду, ее придется переохладить до -40 °C.
Ученые представили теоретическую модель, показывающую, как структурные детали могут влиять на температуру замерзания воды. Этим деталями могут быть частицы сажи, бактерии и даже некоторые белки.
Команда собрала более сотни известных измерений того, как углы между микроскопическими выступами на поверхности частиц влияют на температуру замерзания. Затем они использовали модели рассмотрения факторов, способствующих зарождению кристаллов льда, например, насколько сильно вода связывается с поверхностями и углами между структурными элементами.
Наконец, химики вывели математическое выражение, которое показывает, что определенные углы между поверхностными элементами облегчают сбор и кристаллизацию молекул воды при относительно более высоких температурах.
По словам исследователей, их модель может помочь в разработке материалов с поверхностями, которые позволят более эффективно формировать лед с минимальными затратами энергии. Принцип можно использовать в генераторах льда или снега, или применять для засеивания облаков частицами, чтобы вызвать снегопад.
