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 z krzepnącą cieczą efektem termicznym Marangony. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Kiedy woda zawierająca zanieczyszczenia i inkluzje (na przykład pęcherzyki powietrza lub piasek) zamarza, obce cząsteczki zazwyczaj stają się częścią lodu lub są wypychane na zewnątrz przez front zamarzania. Warunki, od których zależy absorpcja lub wydalanie zanieczyszczenia, zależą od interakcji pomiędzy samą cząstką i poruszającą się falą krzepnięcia. Na poziomie molekularnym interakcja ta kontrolowana jest przez siły van der Waalsa i przepływ cieczy w cienkiej warstwie wokół cząsteczki. 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 podobny model fizyczny, naukowcy odkryli kolejny niezwykły fakt — w przypadku stałego inkluzji odkształcenie nie zależy od tego, jak szybko zbliża się front atmosferyczny, a odkształcenie uformowanego 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.
Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali dwie przezroczyste płyty, umieszczone równolegle względem 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 mieszankę i uniknąć nieoczekiwanego wymieszania się oleju z wodą, eksperymentatorzy dodali substancję powierzchniowo czynną, której udział stanowił jedną setną procenta objętości końcowej mieszanki. Naukowcy stworzyli gradient temperatury poprzez przesuwanie 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) ogniwa Hele-Shawa, ze względu na agregat chłodniczy (i odpowiednio powolne tworzenie się frontu zamarzania), 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 wynoszącej 0,9 mikrometra na sekundę, ta ostatnia pozostawała płaska podczas zbliżania się do kropli, a przy prędkości 1,6 mikrometra na sekundę kropla wciskała się w uformowany stały lód. Fizycy wyjaśnili ten nieoczekiwany wynik 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 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.
Po raz pierwszy przedmiotem badań stało się oddziaływanie lodu wodnego i cząstek obcych. Pisaliśmy wcześniej o tym, jak zanieczyszczenia zewnętrzne zmniejszają przyczepność lodu do powierzchni.