Fizycy obserwowali, jak woda zamarza z kroplami oleju silikonowego i odkryli, że przy dużej prędkości frontu zamarzania (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 i krzepnącej cieczy 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 substancją, podczas gdy sama rozproszona cząstka ulega deformacji z powodu różnicy między przewodnością cieplną obcego obiektu a otaczającą go cieczą. Badając podobny model fizyczny, naukowcy odkryli inny 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 wyparta lub wchłonięta przez ciecz, odkształcała ona krzepnącą ciecz.
Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali dwie przezroczyste płytki, umieszczone równolegle względem siebie w odległości 200 mikrometrów, przestrzeń między nimi wypełniono emulsją oleju silikonowego w wodzie, utworzoną w ten sposób w instalacji przepływowej Hele-Shaw. Aby ustabilizować mieszaninę i uniknąć nieoczekiwanego wymieszania oleju z wodą, eksperymentatorzy dodali substancję powierzchniowo czynną, której udział stanowił jedną setną procenta objętości końcowej mieszanki. Naukowcy stworzyli gradient temperatury, przesuwając komórkę z wodą i olejem przez jednostkę chłodniczą, w której stopniową zmianę temperatury zapewniało kilka elementów Peltiera.
Okazało się, że przy niskiej prędkości ruchu (około 0,4 mikrometra na sekundę) ogniwa Hele-Shawa, ze względu na agregat chłodniczy (i odpowiednio powolne tworzenie 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, 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, gdy zbliżał się do kropli, a przy prędkości 1,6 mikrometra na sekundę kropla została wciśnięta w uformowany stały lód. Taki nieoczekiwany wynik fizycy wyjaśnili następująco: przy szybkim spadku temperatury współczynnik napięcia powierzchniowego oleju silikonowego zmienia się bardzo gwałtownie, więc przednia część kropli doświadcza większej siły napięcia powierzchniowego, co z kolei powoduje przepływ międzyfazowy, który wciąga ciecz z cieplejszych obszarów do zimniejszych - tzw. przepływ termiczny Marangony.
Autorzy pracy zauważyli, że uzyskane wyniki powinny być przydatne w nauce o materiałach do kontrolowania procesów decydujących o odpychaniu lub wychwytywaniu cząstek podczas krzepnięcia ośrodka wielofazowego.
Interakcja lodu wodnego i cząstek obcych stała się po raz pierwszy przedmiotem badań. Pisaliśmy wcześniej o tym, jak zewnętrzne zanieczyszczenia zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni.