В природе лед большую часть времени окружен жидкостью. С фундаментальной точки зрения важно исследовать, как лед и жидкость взаимодействуют. Однако из-за того, что лед и вода быстро меняют свою температуру и форму, ранее было невозможно наблюдать за их взаимодействием напрямую и без внешних эффектов. Японские ученые предложили использовать для этого охлажденный микроскоп, способный делать точные измерения при отрицательных температурах, и незамерзающую жидкость октанол-1. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.
Измерение поверхности льда представляет собой сложную задачу из-за того, что лед в естественной среде обычно окружен водой, что создает слой тонких молекул жидкости на поверхности льда. Вода может влиять на результаты измерений. Наблюдение за взаимодействием льда и окружающей его жидкости до недавнего времени было невозможно из-за того, что при взаимодействии лед таял, а жидкость, наоборот, охлаждалась.
Японские ученые впервые рассмотрели поверхность льда при взаимодействии с жидкостью с помощью антифриза и охлажденного микроскопа. Сначала ученые погрузили лед в антифриз октанол-1 — жидкость, не замерзающую при низких температурах — с температурой ниже 0 °C (градуса замерзания воды). Таким образом, лед не должен был таять, а граница между льдом и жидкостью не изменялась. Авторы использовали специальный атомно-силовой микроскоп, который делает точные измерения при отрицательных температурах. Они предварительно охладили микроскоп в охлаждающем боксе.
Ученые обнаружили, что в антифризе лед имеет идеально ровную поверхность с периодическими «ступенями» высотой всего в один молекулярный слой (0,3–0,4 нанометра). Такие ступени возникают из-за особенностей структуры льда, в которой молекулы при взаимодействии образуют ряды, напоминающие ступеньки. Для сравнения: в наблюдениях за льдом без окружающей жидкости ученые отмечали ступени высотой около 20 нанометров, то есть примерно в 50 раз выше.
Авторы считают, что ровная плоская поверхность льда образовалась из-за небольшого растворения и рекристаллизации льда в антифризе. Кроме того, они исследовали «твердость» поверхности льда и обнаружили, что он гораздо тверже, чем предполагалось ранее с помощью других методов.
Ученые также отмечают, что поверхность льда выглядела по-разному в зависимости от вида антифриза, который они выбирали. Они использовали разные жидкости, которые имели схожие свойства, но давали разный результат. Это подчеркивает важность прямого измерения границы раздела льда и жидкости в каждом случае.
«Мы рассчитываем увеличить разрешение микроскопа до единичных молекул воды и использовать другие методы измерения, кроме атомно-силовой микроскопии. Таким образом мы надеемся расширить спектр возможных применений измерений молекулярного уровня границы раздела лед — антифриз», — рассказал Хироси Ониси из Университета Кобе.
Автор: Элина Яндиева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
