Fizycy obserwowali, jak woda z kroplami oleju silikonowego zamarza i odkryli, że przy dużej prędkości frontu zamarzania (około 1,6 mikrometra na sekundę) kropla oleju odkształca lód, jakby naciskając na niego, a nie wypychając go. Naukowcy wyjaśnili tę pozornie paradoksalną interakcję między obcym inkluzją a krzepnącą cieczą, nazywając ją efektem termicznym Marangoniego. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Kiedy woda zawierająca zanieczyszczenia i inkluzje (takie jak pęcherzyki powietrza lub piasek) zamarza, obce cząsteczki zazwyczaj stają się częścią lodu lub są wypychane na zewnątrz przez front zamarzania. Warunki, które determinują absorpcję lub wydalanie zanieczyszczenia, zależą od interakcji między samą cząstką a biegnącą falą krzepnięcia. Na poziomie molekularnym interakcja ta kontrolowana jest przez siły van der Waalsa i przepływ cieczy w cienkiej warstwie wokół cząstki. Jednocześnie na poziomie makro główną rolę odgrywa wymiana ciepła między inkluzją a otaczającą ją substancją, podczas gdy sama rozproszona cząstka ulega deformacji na skutek różnicy między przewodnością cieplną ciała obcego i otaczającej go cieczy. Badając taki model fizyczny, naukowcy odkryli kolejny niezwykły fakt: w przypadku stałego inkluzji odkształcenie nie zależy od tego, jak szybko zbliża się front atmosferyczny, a odkształcenie powstałego lodu jest skierowane w stronę cząstki.
Pallav Kant z Uniwersytetu w Manchesterze wraz z kolegami z Wielkiej Brytanii, Niemiec i Holandii odkrył paradoksalne zachowanie kropli oleju umieszczonej w zamarzającej wodzie: zamiast zostać wyparta lub wchłonięta przez ciecz, odkształcała ona krzepnącą ciecz.
Aby przeprowadzić eksperyment, naukowcy wykorzystali dwie przezroczyste płyty umieszczone równolegle do siebie w odległości 200 mikrometrów, a przestrzeń między nimi wypełniono emulsją oleju silikonowego w wodzie, tworząc w ten sposób w układzie przepływy Hele-Shawa. Aby ustabilizować mieszankę i zapobiec nieoczekiwanemu wymieszaniu się oleju z wodą, badacze dodali surfaktant w ilości stanowiącej jedną setną procenta objętości końcowej mieszanki. Naukowcy stworzyli gradient temperatury poprzez przesunięcie ogniwa z wodą i olejem przez jednostkę chłodniczą, w której stopniową zmianę temperatury zapewniło kilka elementów Peltiera.
Okazało się, że przy niskiej prędkości ruchu (około 0,4 mikrometra na sekundę) komórki Hele-Shawa przez jednostkę chłodniczą (i odpowiednio powolnym tworzeniu się frontu zamrażania), początkowo płaska granica krzepnięcia została odkształcona w kierunku kropli, jakby została przez nią przyciągnięta, co całkowicie pokrywało się z przewidywaniami teoretycznymi: przewodność cieplna kropli oleju silikonowego jest niższa niż wody, więc strumień ciepła wybierał ścieżkę najmniejszego oporu cieplnego, omijając samo domieszkowanie i odchylając się od izoterm, które można łatwo znaleźć z równania przewodności cieplnej dla małych liczb Pecleta.
Przy prędkości frontu zamarzania wynoszącej 0,9 mikrometra na sekundę, ten ostatni pozostawał płaski podczas zbliżania się do kropli, a przy prędkości 1,6 mikrometra na sekundę kropla została wciśnięta w uformowany lód. Fizycy wyjaśnili ten nieoczekiwany wynik w następujący sposób: wraz z gwałtownym spadkiem temperatury współczynnik napięcia powierzchniowego oleju silikonowego zmienia się bardzo gwałtownie, wskutek czego przednia część kropli doświadcza działania dużej siły napięcia powierzchniowego, która z kolei powoduje przepływ międzyfazowy, przenoszący ciecz z cieplejszych obszarów do zimniejszych – tzw. przepływ ciepła Marangoniego.
Autorzy pracy zauważyli, że uzyskane wyniki powinny być przydatne w nauce o materiałach do kontrolowania procesów decydujących o odrzuceniu lub wychwyceniu cząstek podczas krzepnięcia ośrodka wielofazowego.
Interakcja lodu wodnego z cząsteczkami obcymi nie była po raz pierwszy przedmiotem badań. Pisaliśmy wcześniej o tym, jak zanieczyszczenia zewnętrzne zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni.