Fizycy zaobserwowali, jak woda zamarza z kroplami oleju silikonowego i odkryli, że przy dużej prędkości frontu zamarzania (około 1,6 mikrometra na sekundę) kropla oleju deformuje lód, jakby była w niego wciskana, a nie wypychana. Naukowcy wyjaśnili to na pierwszy rzut oka paradoksalnym oddziaływaniem obcego wtrącenia i krzepnącej cieczy efektem termicznym Marangony. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Kiedy woda zawierająca zanieczyszczenia i wtrącenia (na przykład pęcherzyki powietrza lub piasek) zamarza, ciała obce zwykle stają się częścią lodu lub są wypychane przez front zamarzania. Warunki, od których zależy absorpcja lub wydalenie zanieczyszczeń, zależą od interakcji pomiędzy 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 pomiędzy wtrąceniem a otaczającą substancją, natomiast sama rozproszona cząstka ulega deformacji na skutek różnicy pomiędzy przewodnością cieplną ciała obcego i otaczającej go cieczy To. Badając podobny model fizyczny, naukowcy odkryli kolejny niezwykły fakt — w przypadku stałego wtrącenia odkształcenie nie zależy od tego, jak szybko zbliża się front zamarzania, a odkształcenie utworzonego 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 zamarzniętej wodzie: zamiast zostać wyparta lub wchłonięta przez ciecz, odkształciła ona krzepnącą ciecz.
Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali dwie przezroczyste płytki, umieszczone równolegle do siebie w odległości 200 mikrometrów, a przestrzeń pomiędzy którymi wypełniono emulsją oleju silikonowego w wodzie, utworzoną w ten sposób w instalacji przepływowej Hele-Shawa . Aby ustabilizować mieszaninę i uniknąć nieoczekiwanego zmieszania się oleju z wodą, eksperymentatorzy dodali substancję powierzchniowo czynną w proporcji jednej setnej procenta objętości końcowej mieszaniny. Naukowcy stworzyli gradient temperatury, przesuwając ogniwo z wodą i olejem przez agregat chłodniczy, w którym stopniową zmianę temperatury zapewniało kilka elementów Peltiera.
Okazało się, że przy małej prędkości ruchu (około 0,4 mikrometra na sekundę) ogniwa Hele-Shawa z powodu agregatu chłodniczego (i odpowiednio powolnego tworzenia się frontu zamarzania) początkowo płaska granica krzepnięcia uległa deformacji w kierunku kropelki, jakby ją przyciągał, co całkowicie pokrywało się z teoretycznymi przewidywania: przewodność cieplna kropli oleju silikonowego jest niższa niż wody, dlatego przepływ ciepła wybrał drogę o najmniejszym oporze cieplnym, unikając samego zanieczyszczenia i odchylając izotermy, które łatwo znaleźć z równania przewodności cieplnej dla małych Liczby Pécleta.
Przy zamarzającej prędkości frontu wynoszącej 0,9 mikrometra na sekundę, ta ostatnia pozostawała płaska, gdy zbliżała się do kropli, a przy prędkości 1,6 mikrometra na sekundę kropelka wciskała się w uformowany stały lód. Tak nieoczekiwany wynik fizycy wyjaśnili w następujący sposób: wraz z gwałtownym spadkiem temperatury współczynnik napięcia powierzchniowego oleju silikonowego zmienia się bardzo gwałtownie, w związku z czym przednia część kropli podlega większej sile napięcia powierzchniowego, co z kolei powoduje powoduje przepływ międzyfazowy, który zasysa ciecz z obszarów cieplejszych do zimniejszych – tzw. przepływ termiczny Marangony.
Autorzy pracy zauważyli, że uzyskane wyniki powinny znaleźć zastosowanie w materiałoznawstwie do sterowania procesami warunkującymi odpychanie lub wychwytywanie cząstek podczas krzepnięcia ośrodka wielofazowego.
Po raz pierwszy przedmiotem badań stało się oddziaływanie lodu wodnego i cząstek obcych. O tym, jak zanieczyszczenia zewnętrzne zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni, pisaliśmy wcześniej.