Fizycy obserwowali zamarzanie wody zawierającej krople oleju silikonowego i odkryli, że przy wysokich prędkościach frontu zamarzania (około 1,6 mikrometra na sekundę) kropla oleju odkształca lód, sprawiając wrażenie, jakby była w niego wciskana, a nie wypychana na zewnątrz. Naukowcy wyjaśnili tę pozornie paradoksalną interakcję między obcym wtrąceniem a krzepnącą cieczą, posługując się termicznym efektem Marangoniego. Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
Gdy woda zawierająca zanieczyszczenia i inkluzje (takie jak pęcherzyki powietrza lub piasek) zamarza, obce cząstki zazwyczaj albo stają się częścią lodu, albo są wydalane przez front zamarzania. Warunki, które decydują o tym, czy zanieczyszczenie zostanie wchłonięte, czy wydalone, zależą od interakcji między samą cząstką a poruszającą się falą zamarzania. Na poziomie molekularnym ta interakcja jest kontrolowana przez siły van der Waalsa i przepływ cieczy w cienkiej warstwie wokół cząstki. Tymczasem na poziomie makroskopowym kluczową rolę odgrywa wymiana ciepła między inkluzją a otaczającą ją substancją, przy czym sama rozproszona cząstka ulega deformacji z powodu różnicy w przewodności cieplnej między ciałem obcym a otaczającą ją cieczą. Badając ten model fizyczny, naukowcy odkryli kolejny niezwykły fakt: w przypadku inkluzji stałej deformacja jest niezależna od prędkości zbliżania się frontu zamarzania, a deformacja formującego się 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. Przestrzeń między nimi wypełniono emulsją oleju silikonowego w wodzie, tworząc w ten sposób przepływy Hele-Shawa w układzie. Aby ustabilizować mieszaninę i zapobiec niezamierzonemu mieszaniu się oleju z wodą, eksperymentatorzy dodali surfaktant, którego udział stanowił jedną setną procenta objętości mieszaniny końcowej. Naukowcy stworzyli gradient temperatury, przesuwając komórkę zawierającą wodę i olej przez układ chłodniczy, w którym stopniową zmianę temperatury uzyskano za pomocą kilku ogniw Peltiera.
Okazało się, że przy niskiej prędkości ruchu (około 0,4 mikrometra na sekundę) komórki Hele-Shawa przez jednostkę chłodzącą (i odpowiednio powolnym tworzeniu się frontu zamrażania), początkowo płaska granica krzepnięcia została odkształcona w kierunku kropli, jakby była przez nią przyciągana, 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 zanieczyszczenie i odrzucając izotermy, które można łatwo znaleźć z równania przewodnictwa cieplnego dla małych liczb Pecleta.
Przy prędkości frontu zamarzania 0,9 mikrometra na sekundę, ten ostatni pozostawał płaski w miarę zbliżania się do kropli, natomiast 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, powodując, że czoło kropli doświadcza większej siły napięcia powierzchniowego, co z kolei powoduje przepływ międzyfazowy, który wciąga ciecz z cieplejszych obszarów do chłodniejszych – tzw. strumień ciepła Marangoniego.
Autorzy pracy zauważyli, że uzyskane wyniki mogą być przydatne w nauce o materiałach do monitorowania procesów decydujących o odrzuceniu lub wychwyceniu cząstek podczas krzepnięcia ośrodka wielofazowego.
Interakcja lodu wodnego z cząsteczkami obcymi była już przedmiotem badań. Pisaliśmy już wcześniej o tym, jak zanieczyszczenia zewnętrzne zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni.
