Студени напитки, замръзнали прозорци, ледени скулптури: ледът в различните му форми е дълбоко вкоренен в нашето ежедневие. И все пак за повечето от нас това не е нищо повече от феномен, който се приема за даденост. Ние го виждаме просто като „замръзнала вода“, но науката е на различно мнение.

Има повече от 20 различни  вида лед , формулирани при множество комбинации от налягане и температура

Ледът I, обичайната форма, която използваме за охлаждане на нашите напитки, се среща естествено на Земята заедно с няколко други форми. Скорошен пробив обаче разкри още един тип, енигматичният Лед 0.

Лед 0: Разкрит е нов клас лед

В интригуващо начинание експерти от Института по индустриални науки към Токийския университет постигнаха монументален пробив. 

Учените са разкрили съществуването на лед 0, ексцентричен клас лед, който предизвиква образуването на ледени кристали в преохладена вода.

Процесът на образуване на лед обикновено започва с малки прекурсорни кристали с конфигурация, идентична на лед 0. 

Според изследване, публикувано наскоро в Nature Communications, тези структури, подобни на лед 0, могат да предизвикат замръзване на водна капка близо до нейната повърхност, което противоречи на традиционно установената представа, че капчиците замръзват от сърцевината си.

Промяна в разбирането за образуването на лед

Образуването на лед или нуклеацията на лед обикновено е хетерогенен процес. Често се случва в точката на контакт, където течната вода среща твърда повърхност, като повърхността на контейнера. 

Но новото проучване се противопостави на тези норми, като демонстрира, че нуклеацията на лед може да се случи и малко под повърхността на водата, където се сблъсква с въздух. В този момент ледът се образува около малки прекурсори, въплъщаващи запазената марка пръстеновидна структура на лед 0.

„Симулациите показаха, че водна капка вероятно ще кристализира близо до свободната повърхност при изотермични условия“, каза водещият автор на изследването Ган Сун. Това разрешава дългогодишен спор за предпочитаното място на кристализация – повърхностно или вътрешно.

Ролята на прекурсорите на лед 0

Предшествениците на лед 0 много приличат на преохладена вода, като по този начин позволяват на  водните молекули  да кристализират по-лесно от нея, заобикаляйки директното образуване в структурата на обикновения лед. 

Тези малки прекурсори на лед 0 се образуват спонтанно в резултат на отрицателни ефекти на налягането, предизвикани от  повърхностното напрежение на водата. 

Започването на кристализация от тези прекурсори подтиква структури, подобни на лед 0, бързо да се реорганизират в по-познатия лед I.

Хаджиме Танака, главният автор на изследването, подчертава по-широките последици от изследването.

„Очаква се констатациите относно механизма на повърхностна кристализация на водата да допринесат значително за различни области, включително изследвания на климата и хранителни науки, където кристализацията на водата играе критична роля“, каза Танака.

Последици в различни области

Цялостното разбиране на леда и процеса на неговото образуване може да осигури безценна представа за различни ниши. 

В метеорологията образуването на лед чрез прекурсори, подобни на лед 0, може да играе ключова роля в малките  водни капчици , като тези в облаците. 

Освен това разбирането на леда може да доведе до технологичен напредък в области, вариращи от хранителните науки до климатизацията.

Това забележително откритие подчертава огромната траектория, която науката може да предприеме, като ни води от обикновена водна капка чак до облаците.

Бъдещето на изследванията на леда

Тъй като изследователите навлизат по-дълбоко в сложността на леда и различните му форми, бъдещето на изследванията на леда обещава да отключи още повече мистерии. 

Една вълнуваща област на изследване е връзката между образуването на лед и изменението на климата. Разбирането на това как различните видове лед взаимодействат с околната среда е от ключово значение, което предлага важна представа за моделите на времето и цялостната климатична система на Земята.

В допълнение, изследването на лед 0 и неговите прекурсори може да доведе до напредък в науката за материалите. Уникалните свойства на лед 0 могат да вдъхновят иновативни приложения, като разработването на нови охладителни системи или изолационни материали, които използват неговата различна кристална структура.

Освен това, текущите изследвания на ролята на леда в биологичните процеси биха могли да хвърлят светлина върху това как живите организми оцеляват при екстремни студени условия. Това знание може да проправи пътя за пробиви в техниките за криоконсервация, потенциално революционизирайки области като медицината и биотехнологиите.

 
Изследването е публикувано в списанието Nature Communications.