In einer neuen Studie haben Forscher das Gefrieren von Salzwassertröpfchen auf molekularer Ebene beobachtet und damit neue Erkenntnisse für Enteisungs- und Anti-Eis-Technologien gewonnen. Entgegen der landläufigen Meinung entsprechen diese Tröpfchen nicht den typischen Gefriermustern, die in reinem Wasser beobachtet werden.
Das Forschungsteam, dessen Studium wurde veröffentlicht in Naturkommunikationführte Experimente durch, um die Bildung eines Solefilms (Salzwasserfilms) auf den gefrorenen Meerwassertröpfchen aufzudecken, über den zuvor nicht berichtet wurde.
Dies ging mit dem Auftauchen von Eiskristallen am Boden des Solefilms einher, die wachsen, bis sie die Oberseite des Tröpfchens durchdringen, ein Phänomen, das als „Eiskeimung“ bezeichnet wird. Diese wurden mithilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD) validiert
Sie führten außerdem ein analoges Experiment durch, um die Niederschlags- und Kondensationsraten von Eis zu messen, was den vorgeschlagenen Mechanismus stützte.
Einfrieren von reinem oder Salzwasser
Das Einfrieren reiner Wassertröpfchen erfolgt typischerweise nach einem gut verstandenen Prozess, bei dem das Tröpfchen allmählich abkühlt, bis es seinen Gefrierpunkt erreicht. Dann formen und wachsen die Eiskristalle und bilden eine feste Eisstruktur mit einer einzelnen, spitzen Spitze.
Andererseits bringt das Gefrieren von Salzwassertröpfchen zusätzliche Komplexität mit sich. Wenn das Tröpfchen gefriert, beeinflusst die Salzkonzentration im Inneren den Gefrierpunkt und senkt ihn typischerweise im Vergleich zu reinem Wasser. Dadurch verschwindet auch die spitze Spitze des Tropfens, wie in früheren Untersuchungen berichtet wurde.
Der Vereisungsprozess, der sich auf die Ansammlung von Eis auf Oberflächen oder Gegenständen durch das Gefrieren von Wassertröpfchen bezieht, kann Schäden an verschiedenen Prozessen wie der Schifffahrt, der Luftfahrt und der Infrastruktur verursachen.
Das Verhalten von Salzwassertröpfchen wirft jedoch zusätzliche Überlegungen auf. Das Vorhandensein einer Soleschicht kann die Haftung des gefrorenen Tropfens an Oberflächen beeinflussen und möglicherweise Auswirkungen auf Anti-Eis-Strategien oder Oberflächenbeschichtungen zur Verhinderung von Vereisung haben.
Der Erstautor der Studie, Dr. Fuqiang Chu, außerordentlicher Professor an der Universität für Wissenschaft und Technologie in Peking, sprach mit Phys.org über ihre Arbeit.
„Ich bin neugierig auf das Vereisungsphänomen und begann mich während meiner Doktorarbeit damit zu beschäftigen. Allerdings glaube ich, dass die Leute dieses Phänomen bis jetzt nicht vollständig verstehen konnten, insbesondere wenn man ein binäres Tröpfchen wie ein salziges Tröpfchen verwendet.“
„In dieser Arbeit haben wir den Prozess des Einfrierens von Salztröpfchen untersucht und versucht, die Einzigartigkeit des Einfrierens von Salztröpfchen im Vergleich zu reinen Wassertröpfchen zu entdecken“, sagte Dr. Chu.
Beobachten und Analysieren des Gefriervorgangs
Um den Gefrierprozess von Salzwasser zu untersuchen, verwendeten die Forscher Salzwasser mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen. Sie verwendeten ein Halbleiter-Kühlmodul, um eine kontrollierte Kühlung zu gewährleisten und so die Oberflächentemperatur unter den Gefrierpunkt der Tröpfchen einzustellen.
Salzwassertröpfchen wurden auf die Versuchsoberfläche injiziert, wo sie den Gefrierprozess durchliefen. Mittels Hochgeschwindigkeits-Mikrofotografie wurden die Vereisungsphänomene, einschließlich der Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf der Oberseite gefrorener Tröpfchen, aufgezeichnet und analysiert.
Sie beobachteten das Vorhandensein konzentrierter Salzlösung in den gefrorenen Salztröpfchen, was auf ein unvollständiges Gefrieren hinweist, das sich vom Gefrieren reiner Wassertröpfchen unterscheidet.
Basierend auf Temperaturmessungen entwickelten die Forscher eine Methode, um die Gefrierdauer salziger Tröpfchen vorherzusagen. Sie korrelierten das Auftreten eines Flüssigkeitsfilms auf gefrorenen Tröpfchen mit dem Ende des Gefriervorgangs und lieferten so einen visuellen Indikator für die Bestimmung der Gefrierzeit.
Die MD-Simulationen wurden dann verwendet, um die experimentellen Ergebnisse zu validieren und zu ergänzen, indem sie eine Perspektive auf molekularer Ebene boten, die es den Forschern ermöglichte, die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die die beobachteten Phänomene antreiben.
Ziel der MD-Simulationen war es, die experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren und zusätzliche Einblicke in die molekularen Wechselwirkungen zu liefern, die beim Einfrieren von Tröpfchen auftreten, indem das Verhalten von Ionen, Wassermolekülen und Gefriergrenzflächen auf der Nanoskala simuliert wird.
Eis sprießt
Die Forscher beobachteten die Bildung einer Soleschicht auf dem gefrorenen Tropfen. Diese Schicht verhindert die Bildung einer spitzen Spitze und sorgt für eine stabile Temperatur im Tropfen.
„Nach der Bildung des Solefilms beginnen einige Eiskristalle am Boden des Films zu sprießen, was dem Prozess der Samenkeimung sehr ähnlich ist. Dieses Eiskeimungsphänomen überraschte mich und gab mir das Gefühl, als wären die Tröpfchen lebendig ein neues Leben zu fördern“, sagte Dr. Chu.
Dieses einzigartige Phänomen führt zum Durchstechen des Solefilms und zu weiterem Eiskristallwachstum in der Luft.
Das Eiskeimungsphänomen wird durch Grenzflächenkondensation auf dem gesättigten Solefilm unter feuchten Luftbedingungen bestimmt.
Mit anderen Worten: Da die Temperatur des Solefilms niedriger ist als der Taupunkt der umgebenden Luft (die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt wird), führt dies dazu, dass Wasserdampf aus der Luft an der Grenzfläche des Solefilms kondensiert.
Dieses kondensierte Wasser verdünnt den Solefilm und stört sein Gleichgewicht bzw. Gleichgewicht. Als Folge dieser Verdünnung wird der Solefilm mit Salz übersättigt, was zur Ausfällung von Eiskristallen aus dem Inneren des Films führt. Die Eiskristalle, die sich im Solefilm bilden, erhöhen dessen Salzkonzentration und sättigen den Solefilm dadurch bei seiner Temperatur wieder.
„Dies legt nahe, dass der Einfluss der Umgebungsfeuchtigkeit bei der Untersuchung des Phasenübergangs oder Kristallisationsprozesses von Lösungen nicht ignoriert werden kann“, fügte Dr. Chu hinzu.
Universelle Definition der Gefrierdauer
Zusätzlich zu diesen beiden beobachteten Phänomenen schlugen die Forscher eine universelle Definition der Gefrierdauer vor, um die Vereisungsrate von Tröpfchen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen zu quantifizieren. Dies ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Leistung von Anti-Icing-Oberflächen und -Technologien.
„Anhand unserer Definition der Gefrierdauer für salzige Tröpfchen können Forscher möglicherweise die Leistung ihrer Anti-Eis-Methoden gegen salzige Tröpfchen quantitativ bewerten. Dies kann für die Entwicklung mariner Anti-Eis-Technologien hilfreich sein“, erklärte Dr. Chu.
Die Identifizierung der Bildung des Solefilms auf gefrorenen Tröpfchen bietet Forschern eine standardisierte Möglichkeit, das Ende des Gefriervorgangs zu markieren, wodurch das Gefrierverhalten der Tröpfchen einfacher gemessen und verglichen werden kann.
Im Hinblick auf mögliche Anwendungen von Anti-Eis-Technologien erwähnt Dr. Chu die Verringerung der Haftung der gefrorenen Salzwassertröpfchen.
„Bei einem Salzwassertropfen manifestiert sich der gesamte Vereisungsprozess als zufälliges Eiskristallwachstum, und in den Spalten der Eiskristalle verbleibt konzentrierte Salzlösung.“
„Daher hängt die Adhäsion gefrorener Salzwassertröpfchen nicht nur von der Kontaktfläche ab, sondern hängt auch von der Wachstumsorientierung der Eisdendriten und der Verteilung der konzentrierten Sole ab. Diese können durch die Abstimmung der Position der Keimbildungsorte (Anfangsbildung) gesteuert werden.“ um eine geringe Eisanhaftung zu erreichen“, erklärte Dr. Chu.
Mehr Informationen:
Fuqiang Chu et al., Grenzflächeneis sprießt beim Einfrieren von Salzwassertröpfchen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46518-y.
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