Wetenschappers ontdekken een ongebruikelijke nieuwe vorm van ijs

Onderzoekers uit Japan hebben een nieuwe vorm van ijs ontdekt, ijs-0 genaamd, die kan helpen bij het vormen van ijskristallen in onderkoeld water. Uit hun onderzoek blijkt dat ijskiemvorming kan optreden nabij het oppervlak van waterdruppels als gevolg van ijs-0-achtige structuren, waarmee een al lang bestaand debat wordt opgelost. Deze resultaten hebben belangrijke implicaties voor verschillende gebieden, waaronder klimaatstudies en voedingswetenschap, omdat ze ons begrip van ijsvorming vergroten.

IJs is complexer dan de meeste mensen beseffen, waarbij de wetenschap meer dan twintig verschillende soorten ijs heeft geïdentificeerd die zich vormen onder verschillende combinaties van druk en temperatuur. Het type dat we gebruiken om onze drankjes te koelen, bekend als eerste ijs, is een van de weinige vormen die van nature op aarde voorkomen. Onlangs ontdekten onderzoekers uit Japan een ander type: ijs 0, een ongebruikelijke vorm van ijs dat ijskristallen kan gaan vormen in onderkoeld water.

IJsvorming nabij het oppervlak van vloeibaar water kan beginnen bij kleine kristallijne voorlopers met een structuur die lijkt op een zeldzaam soort ijs, bekend als ijs 0. In een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in NatuurcommunicatieOnderzoekers van de onderzoeksafdeling voor sociale samenwerking “Ice Protection Science” van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokio hebben aangetoond dat deze ijsachtige structuren ervoor kunnen zorgen dat een waterdruppel dichtbij het oppervlak bevriest in plaats van in de kern. Deze ontdekking lost een al lang bestaand mysterie op en zou kunnen helpen ons begrip van hoe ijs ontstaat opnieuw te definiëren.

Werkwijze voor het vormen van ijskernen

IJskristallisatie, bekend als ijskiemvorming, vindt meestal heterogeen plaats, of met andere woorden, op een vast oppervlak. Normaal gesproken zou dit plaatsvinden aan het oppervlak van de watercontainer, waar de vloeistof de vaste stof ontmoet. Uit dit nieuwe onderzoek blijkt echter dat ijskristallisatie ook net onder het wateroppervlak kan plaatsvinden, waar het in contact komt met de lucht. Hier kristalliseert het ijs rond kleine voorlopers die dezelfde karakteristieke cirkelvormige structuur hebben als ijs 0.

“De simulatie toonde aan dat de kans groter is dat een waterdruppel onder isotherme omstandigheden dichtbij het vrije oppervlak kristalliseert. Dit lost een al lang bestaand debat op over de vraag of kristallisatie gemakkelijker aan het oppervlak of intern plaatsvindt”, zegt Gang Sun, hoofdauteur van het onderzoek. .

Onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokio hebben ontdekt dat zich ijs begint te vormen nabij het wateroppervlak door structuren die lijken op een zeldzaam soort ijs dat onlangs is ontdekt, waardoor we de ijsvorming beter kunnen begrijpen. Bron: Instituut voor Industriële Wetenschappen, Universiteit van Tokio

IJsvoorlopers 0

De voorgangers van Ice 0 hebben een structuur die sterk lijkt op onderkoeld water, waardoor watermoleculen er gemakkelijker uit kunnen kristalliseren, zonder dat ze zich rechtstreeks in de structuur van gewoon ijs hoeven te vormen. Kleine ijsvoorlopers ontstaan ​​spontaan als gevolg van negatieve drukeffecten veroorzaakt door de oppervlaktespanning van water. Zodra de kristallisatie uit deze voorlopers begint, herschikken de ijs 0-achtige structuren zichzelf snel in het meer gebruikelijke ijs I.

Hoofdauteur Hajime Tanaka benadrukte de verreikende implicaties van deze studie en merkte op dat “de bevindingen over het mechanisme van kristallisatie van het wateroppervlak naar verwachting een significante bijdrage zullen leveren op verschillende terreinen, waaronder klimaatstudies en voedingswetenschappen, waar waterkristallisatie een cruciale rol speelt.” rol.”

Een gedetailleerder begrip van ijs en hoe het zich vormt, kan van onschatbare waarde inzicht geven in een verscheidenheid aan studiegebieden. Dit werk kan bijvoorbeeld van bijzonder belang zijn in de meteorologie, waar ijsvorming door ijsachtige voorlopers een meer uitgesproken effect kan hebben op kleine waterdruppeltjes, zoals die in wolken. Het begrijpen van ijs kan ook technologische voordelen hebben, van de voedingswetenschap tot airconditioning.

Referentie: “Oppervlak-geïnduceerde kristallisatie van water als gevolg van voorlopers gevormd in onderdrukgebieden” door Gang Sun en Hajime Tanaka, 26 juli 2024, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-024-50188-1