Porozen led

Mogoče imate tudi vi znanca, ki ima skrbno premišljeno metodo za zamrzovanje vode v kristalno čiste ledene kocke. Na domiseln način poskuša preprečiti motnost ledenih kock, ki nastane zaradi mehurčkov zraka, ujetih v ledu. Plini so v tekoči vodi dobro topni, v ledu pa ne, zato se ob zamrzovanju vode raztopljeni plini izločijo in koncentrirajo v preostali tekočini. Mehurčki nastajajo v bližini zamrzovalne fronte, ko zamrznejo, pa jih obda led in postanejo pore. Mednarodna skupina raziskovalk in raziskovalcev je na spletnem portalu preprintov arXiv objavila študijo modela, ki teoretično napove obnašanje in oblikovanje por v ledu.

Za testiranje matematičnega modela je znanstvena skupina preučila zamrzovanje vode, v kateri je naravno raztopljen zrak. Opravili so vrsto poskusov in predstavili značilen nastanek pore. Pokazali so, da se sprva na zamrzovalni fronti ustvari mehurček, ki nato raste zaradi difuzije raztopljenega plina, medtem ko se zamrzovalna fronta še naprej širi. Sčasoma fronta zamrzovanja preide mehurček, pora se zapre in njena končna oblika je določena. Pore niso nikoli kroglaste, temveč so podolgovate v smeri zamrzovanja. Poleg tega se njihovo število spreminja s hitrostjo zamrzovanja. Namreč pri večji hitrosti se na površini oblikujejo številne majhne pore, ki so rahlo podolgovate. Nasprotno pri nižjih hitrostih zamrzovanja nastane manj por, ki so večje in daljše.

Glavni del študije je bil razvoj matematičnega modela za opis zamrzovanja mehurčkov, ki temelji na fizikalnem načelu ohranitve mase plina. Za lažjo obravnavo so rastoči mehurček razdelili na spodnji del – poro, ki je ujeta v ledu, in zgornji del – mehurček, ki je v stiku s tekočo vodo. Upoštevali so, da se med zamrzovanjem plin bodisi prenese iz mehurčka v poro bodisi izmenja med mehurčkom in okoliško vodo. Smer in velikost tega prenosa mase sta odvisni od tlaka in posledično od ukrivljenosti mehurčka. Pokazali so, da prenos toplote in kapilarnost narekujeta, da je zgornji del mehurčka polobla.  

Ujemanje rešitve enačbe za zamrzovanje mehurčkov z obliko prave pore omogoča meritve prenasičenosti plina in radijev mehurčkov, pri katerih je nastala pora. Te parámetre so izračunali za hitrosti zamrzovanja od 12 do 263 mikrometrov na sekundo. V nadaljnjih raziskavah bi lahko matematični model nadgradili tako, da bi analizirali še denimo primer, ko se hitrost zamrzovanja eksponentno manjša, kar je zelo pogost primer v naravi. Navsezadnje je opisan model dovolj splošen, da se lahko uporabi tudi pri načrtovanju poroznih snovi, ki jih izdelujejo tako, da hitro zamrzujejo tekoče materiale v odlitke.

Z mehurčki je zmrzovala Tina.

Članek: arXiv
Vir slike: Flickr
Metoda izdelave čistih ledenih kock.