اكتشف الفيزيائيون آلية جديدة للتجميد على المستوى الجزئي

اكتشف الفيزيائيون والمهندسون الميكانيكيون آلية جديدة لتكوين الجليد على المستوى الجزئي، وقد اندهشوا من أنها، رغم أنها على مرأى من الجميع، لم يلاحظها أحد. وقد أبلغوا عن اكتشافهم في إحدى المجلات. فيزياء الطبيعة.

يتعارض الجليد مع تشغيل المعدات المختلفة – من مكيفات الهواء والثلاجات إلى الطائرات والمركبات الفضائية. على المستوى الجزئي، ينتشر بشكل رئيسي بسبب “جسور الجليد” التي تربط قطرات السائل فائقة التبريد المتجاورة. لعقود من الزمن كان يعتقد أن هذه الجسور نمت على طول السطح.

هذا الافتراض، الذي يعتمد بشكل أساسي على التصوير العلوي التقليدي، يشكل الأساس للنماذج النظرية الحالية وطرق إزالة الجليد. يوضح مؤلفو الدراسة الجديدة أن هذه صورة غير كاملة.

باستخدام المجهر عالي الدقة مع التصوير بالمستوى البؤري، أظهروا أن الجسور الجليدية يمكن أن تنمو في نظامين مكانيين مختلفين:

• على الأسطح المحبة للماء (القابلة للبلل). يتم تشكيل الجسور مباشرة على الركيزة – وهذا يتوافق مع الأفكار الكلاسيكية،
• على الأسطح فائقة الكارهة للماء (طاردة للماء). – على العكس من ذلك، تنمو الجسور في حالة معلقة، وتربط القطرات عبر الهواء، وليس على طول حدود صلبة.

“لقد أظهرنا أن قابلية التبلل السطحي هي المقياس الرئيسي الذي يحكم الانتقال بين النظامين”، يؤكد شيان يانغ، الفيزيائي في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، المؤلف الأول لهذه الورقة.

حدد الباحثون عتبة حرجة لزاوية التلامس الظاهرة لقطرة الماء، وهي حوالي 105 درجة. فوق هذه القيمة، تبدأ جسور الجليد المعلقة في الهيمنة. يوضح هذا الاكتشاف أن قابلية البلل لا تؤثر فقط على توزيع القطرات وتباعدها، وهو أمر معروف منذ زمن طويل، ولكنها تحدد أيضًا بشكل أساسي مسار النمو ثلاثي الأبعاد للجسور الجليدية.

يتم تحديد النظام المكاني للجسور من خلال هندسة القطرات ومسارات انتشار البخار المقابلة. على الأسطح شديدة الكارهة للماء، يقوم شكل القطرة بإزاحة أقصر مسار لنقل البخار بعيدًا عن الركيزة، مما يؤدي إلى تكوين جسر معلق.

تنمو هذه الجسور المعلقة بشكل أبطأ بكثير من تلك المرتبطة بالسطح – لأنه في غياب الاتصال الحراري مع سطح بارد، مع زيادة طول الجسر، تزداد درجة الحرارة في نهايته أيضًا.

نتيجة لذلك، يتباطأ الجليد على الأسطح فائقة الكارهة للماء بشكل كبير – بالمقارنة مع الأسطح المحبة للماء، فإن سرعة انتشار الجليد، كما أظهرت التجارب، يمكن أن تكون أقل بنسبة 80٪.

واختتم يانغ حديثه قائلاً: “الأمر المذهل ليس الاكتشاف نفسه، بل حقيقة أنه حدث الآن فقط. الجسور الجليدية المعلقة ليست ظاهرة غريبة تتطلب ظروفًا قاسية. لقد كانت موجودة دائمًا، لكنها مرت دون أن يلاحظها أحد بسبب طبيعة المراقبة. لقد أظهرنا أن الجليد ليس عملية ثنائية الأبعاد بحتة، كما كان يعتقد سابقًا، ولكنه في الأساس ثلاثي الأبعاد، يحدده تفاعل الهندسة ونقل البخار والاقتران الحراري”.

لقد توصلت إلى اكتشافات مماثلة حتى في الأنظمة المدروسة جيدًا خارج المستوى البؤري.