Как разрезать лед нанопроводом
В классических экспериментах трос с грузами на двух концах, размещенный на ледяной поверхности, «просачивается» через кусок льда, потому что замерзшая вода обладает необычным свойством таяния под давлением. Ученые из Финляндии провели моделирование данного эксперимента на молекулярном уровне и обнаружили разницу в скорости «продавливания» льда тросом из гидрофильного и гидрофобного материалов. Детальный анализ результатов показывает новые аспекты взаимодействия воды и льда с гидрофобными объектами.
В XIX столетии Майкл Фарадей (Michael Faraday), Дж. Виллард Гибс (J. Willard Gibbs) и Джеймс Томсон (James Thomson) были среди первых ученых, исследовавших удивительное свойство льда – способность таять под действием внешнего давления. Подобное поведение проявляется по причине того, что вода (жидкая форма вещества) является более плотной, чем лед (твердая форма вещества). Однако, до сих пор этот вопрос изучался лишь в макроскопическом масштабе, т.к. это было проще с точки зрения теоретического описания.
С переходом от макроскопического к микроскопическому масштабу детали процесса меняются. Вода перестает быть непрерывной субстанцией, а становится набором отдельных молекул. По мнению ученых из Tampere University of Technology (Финляндия) изучение процесса в микромасштабе могло выявить неизвестные ранее свойства воды, т.к. позволило бы отвлечься от стандартных «проблем» макроскопических систем, в частности, трения, вызванного дефектами и примесями. Таким образом, ученые предприняли попытку моделирования процесса для 1 – 10 тысяч молекул замороженной воды при определенных условиях.
Вычислительный эксперимент проводился для различных типов нанопроводов, радиус которых равнялся 7,5, 9 и 10,5 ангстрем. Кроме того, варьировалась сила, с которой провод давил на поверхность, а также свойства поверхности самого нанопровода (рассматривались как гидрофильные, так и гидрофобные провода). Результатом эксперимента считалась скорость продвижения нанопровода в ледяном кристалле.
Гидрофобные объекты, как известно, слабо взаимодействуют с водой. Таким образом, традиционный взгляд на эксперимент (взгляд, порожденный исследованиями в макроскопическом масштабе) подсказывает, что гидрофобный провод, взаимодействие поверхности которого с водой меньше, должен испытывать меньшее трение, соответственно, двигаться через кристалл быстрее. Однако, вычислительный эксперимент показал противоположную картину. Тонкий слой расплавленной воды окружает гидрофильный провод и «течет» через кристалл льда вместе с ним, упрощая продвижение. А в случае с гидрофобным проводом вода накапливается под ним; провод продолжает «продавливать» жидкость, но с меньшей скоростью. Когда провод растапливает достаточно жидкости, вода все же «просачивается» в освободившееся сверху пространство. Это вызывает незначительное кратковременное ускорение провода перед следующей остановкой. Средняя скорость продвижения при этом оказывается меньше, чем в случае с гидрофильной поверхностью.
Обнаруженный факт оказался весьма неожиданным. Компьютерные вычисления редко обеспечивают ученых столь удивительными результатами. Ученые предполагают продолжить исследования в данном направлении.
