Fizycy obserwowali, jak woda zamarza z kroplami oleju silikonowego i odkryli, że przy dużej prędkości frontu lodowego (około 1,6 mikrometra na sekundę) kropla oleju odkształca lód, jakby była w niego wciskana, a nie wypychana. Naukowcy wyjaśnili tę, na pierwszy rzut oka, paradoksalną interakcję obcego wtrącenia z krzepnącą cieczą efektem termicznym Marangony. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
Gdy woda zawierająca zanieczyszczenia i inkluzje (na przykład pęcherzyki powietrza lub piasek) zamarza, obce cząstki zazwyczaj albo stają się częścią lodu, albo są wypychane przez front zamarzania. Warunki, od których zależy absorpcja lub wydalanie zanieczyszczenia, zależą od interakcji między samą cząstką a poruszającą się falą krzepnięcia. Na poziomie molekularnym interakcja ta jest kontrolowana 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 z powodu różnicy między przewodnością cieplną ciała obcego a otaczającą ją cieczą. Badając podobny model fizyczny, naukowcy odkryli kolejny niezwykły fakt — w przypadku inkluzji stałej deformacja nie zależy od tego, jak szybko zbliża się front zamarzania, a deformacja uformowanego lodu jest skierowana 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 wypartą lub wchłoniętą przez ciecz, odkształcała ona krzepnącą ciecz.
Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali dwie przezroczyste płytki, umieszczone równolegle do siebie w odległości 200 mikrometrów, a przestrzeń między nimi wypełniono emulsją oleju silikonowego w wodzie, utworzoną w ten sposób w instalacji przepływowej Hele-Shaw. Aby ustabilizować mieszaninę i uniknąć nieoczekiwanego zmieszania oleju z wodą, eksperymentatorzy dodali substancję powierzchniowo czynną, której udział stanowił jedną setną procenta objętości mieszaniny końcowej. Naukowcy stworzyli gradient temperatury, przesuwając komórkę z wodą i olejem przez jednostkę chłodzącą, w której stopniową zmianę temperatury zapewniało kilka elementów Peltiera.
Okazało się, że przy niskiej prędkości ruchu (około 0,4 mikrometra na sekundę) komórki Hele-Shawa, ze względu na jednostkę chłodzącą (i, odpowiednio, powolne formowanie się frontu zamarzania), początkowo płaska granica krzepnięcia została odkształcona w kierunku kropli, jakby przyciągana do niej, co całkowicie pokrywało się z przewidywaniami teoretycznymi: przewodność cieplna kropli oleju silikonowego jest niższa niż wody, więc strumień ciepła wybierał ścieżkę najmniejszego oporu cieplnego, unikając samych zanieczyszczeń i odrzucając izotermy, które można łatwo znaleźć z równania przewodzenia ciepła dla małych liczb Pécleta.
Przy prędkości frontu zamarzania 0,9 mikrometra na sekundę, ten ostatni pozostawał płaski w miarę zbliżania się do kropli, a przy prędkości 1,6 mikrometra na sekundę kropla wciskała się w uformowany lód. Ten nieoczekiwany wynik został wyjaśniony przez fizyków w następujący sposób: wraz z gwałtownym spadkiem temperatury, współczynnik napięcia powierzchniowego oleju silikonowego zmienia się bardzo gwałtownie, przez co przednia część kropli doświadcza większej siły napięcia powierzchniowego, co z kolei powoduje przepływ międzyfazowy, który wciąga ciecz z obszarów cieplejszych do chłodniejszych – tzw. przepływ termiczny Marangony.
Autorzy pracy zauważyli, że uzyskane wyniki powinny znaleźć zastosowanie w nauce o materiałach do kontrolowania procesów decydujących o odpychaniu lub wychwytywaniu cząstek podczas krzepnięcia ośrodka wielofazowego.
Interakcja lodu wodnego z cząsteczkami obcymi stała się po raz pierwszy przedmiotem badań. Pisaliśmy wcześniej o tym, jak zanieczyszczenia zewnętrzne zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni.
