Используя эту технику, они фиксировали движение воды каждые 10 наносекунд, или стомиллионную долю секунды. Они обнаружили, что крошечные кристаллиты расплавленного льда образуют лужи воды, которые в конечном итоге растекаются по поверхности. «Некоторые теории постулировали, что вода не смачивает поверхность воды, но мы обнаружили, что капли воды действительно распространяются и покрывают поверхность», — сказал Киммел, руководивший исследованием, финансируемым Управлением науки Министерства энергетики США.
Почему это важно: контроль аномальных взаимодействий между водой и поверхностью может во многом изменить то, как мы проектируем покрытия и решаем энергетические проблемы страны. Взаимодействие с водой имеет жизненно важное значение для топливных элементов, преобразования сельскохозяйственных отходов в топливо и понимания образования облаков, влияющих на погодные условия и глобальное изменение климата.
Это исследование подробно описывает, как вода взаимодействует с поверхностями в наномасштабе. Для справки: лист бумаги имеет толщину около 100000 нанометров. Если научное описание того, как вода работает в наномасштабе, не является полным и точным, оно подрывает расчеты и прогнозы для более крупных структур, содержащих воду, будь то облака или топливные элементы.
Методы: изменение поведения воды в наномасштабе может изменить работу батарей или топлива.
Чтобы изменить поведение, ученым сначала нужно понять поведение воды. В течение многих лет ученые из PNNL сосредоточились на том, как вода смачивает поверхность: течет ли она по лужам или остается в лужах?
Чтобы ответить на этот вопрос, часто требуются данные от приборов, которые подвергают образцы воздействию сверхвысокого вакуума. К сожалению, когда лед нагревали до образования воды внутри таких инструментов, вода быстро испарялась с поверхности.
Чтобы выяснить, как ведет себя жидкая вода, они потратили 2 года на разработку способа ее изучения в сверхвысоком вакууме. Киммел и его коллеги разработали подход, позволяющий растопить лед и быстро заморозить его, что позволило им анализировать его с помощью различных инструментов.
Они образовали кристаллиты льда на поверхности платины при температуре 100 Кельвинов, или -279 ° F. Они нагревали систему быстрыми вспышками лазера, нагревая поверхность металла до 290К за 10 наносекунд, что с молекулярной точки зрения является большим сроком. Тепло растопило лед, а молекулы воды переместились и реорганизовались.
Быстрая передача тепла в объем холодного металла, затем повторное замораживание образца, гашение движения жидкой воды. Они проанализировали образец в сверхвысоковакуумных приборах.
«Этот метод дает нам возможность взять кристаллическую пленку льда, растопить ее, эволюционировать в течение 10 наносекунд, охладить ее и исследовать с помощью методов определения характеристик», — сказал Киммел.
Они обнаружили, что тепловой импульс превращает ледяные кристаллиты, которые представляют собой ледяные островки толщиной от 10 до 20 молекулярных слоев и диаметром от 20 до 30 нанометров, в наноразмерные капли воды, которые изначально не смачивают поверхность. В конце концов, капли разлетаются и покрывают поверхность, образуя пленку толщиной в несколько слоев молекул.
Что дальше? Исследователи проводят эксперименты, которые исследуют аномальное поведение переохлажденной и жидкой воды, используя свою новую технику.