L'équipe de recherche, dont l'étude a été publiée dans Nature Communications , a réalisé des expériences pour découvrir la formation d'un film de saumure (eau salée) au-dessus des gouttelettes d'eau de mer gelées, ce qui n'avait pas été signalé auparavant.

Cela s'est accompagné de l'émergence de cristaux de glace du bas du film de saumure, qui se sont développés jusqu'à percer le sommet de la gouttelette dans un phénomène appelé « germination de glace ». Ceux-ci ont été validés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire (MD)

Ils ont en outre mené une expérience analogue pour mesurer les taux de précipitation et de condensation de la glace, soutenant le mécanisme proposé.

Congélation pure ou eau salée

La congélation des gouttelettes d’eau pure suit généralement un processus bien compris au cours duquel la gouttelette refroidit progressivement jusqu’à atteindre son point de congélation. Ensuite, les cristaux de glace se forment et grandissent, prenant une structure de glace solide avec une pointe singulière et pointue.

D’un autre côté, la congélation des gouttelettes d’eau salée introduit des complexités supplémentaires. Lorsque la gouttelette gèle, la concentration en sel à l’intérieur affecte le point de congélation, l’abaissant généralement par rapport à l’eau pure. Cela fait également disparaître la pointe pointue de la gouttelette, comme indiqué dans des recherches précédentes.

Le processus de givrage, qui fait référence à l'accumulation de glace sur des surfaces ou des objets en raison du gel des gouttelettes d'eau, peut endommager plusieurs processus, tels que la navigation, l'aviation et les infrastructures.

Cependant, le comportement des gouttelettes d’eau salée introduit des considérations supplémentaires. La présence d'une couche de saumure peut influencer l'adhésion des gouttelettes gelées aux surfaces, affectant potentiellement les stratégies d'antigivrage ou les revêtements de surface conçus pour atténuer le givrage.

Le premier auteur de l'étude, le Dr Fuqiang Chu, professeur agrégé à l'Université des sciences et technologies de Pékin, a parlé à Phys.org de leurs travaux.

"Je suis curieux de connaître le phénomène du givrage et j'ai commencé à l'étudier pendant mes études de doctorat. Cependant, je pense que les gens ne pouvaient pas comprendre pleinement ce phénomène jusqu'à présent, surtout lorsqu'on utilise une gouttelette binaire, comme une gouttelette salée."

"Dans ce travail, nous avons étudié le processus de congélation des gouttelettes salées et essayé de découvrir le caractère unique de la congélation des gouttelettes salées par rapport aux gouttelettes d'eau pure", a déclaré le Dr Chu.

Observation et analyse du processus de congélation

Pour étudier le processus de congélation de l’eau salée, les chercheurs ont utilisé de l’eau salée présentant différentes concentrations de sel. Ils ont utilisé un module de réfrigération à semi-conducteur pour fournir un refroidissement contrôlé, leur permettant de régler la température de surface en dessous du point de congélation des gouttelettes.

Des gouttelettes d’eau salée ont été injectées sur la surface expérimentale, où elles ont subi le processus de congélation. La microphotographie à grande vitesse a été utilisée pour enregistrer et analyser les phénomènes de givrage, y compris la formation d'un film liquide au-dessus des gouttelettes gelées.

Ils ont observé la présence de saumure concentrée dans les gouttelettes salées congelées, indiquant une congélation incomplète, différente de la congélation des gouttelettes d'eau pure.

Sur la base de mesures de température, les chercheurs ont mis au point une méthode permettant de prédire la durée de congélation des gouttelettes salées. Ils ont corrélé l'apparition d'un film liquide au-dessus des gouttelettes congelées avec la fin du processus de congélation, fournissant ainsi un indicateur visuel pour la détermination du temps de congélation.

Les simulations MD ont ensuite été utilisées pour valider et compléter les résultats expérimentaux en offrant une perspective au niveau moléculaire, permettant aux chercheurs de comprendre les mécanismes sous-jacents à l'origine des phénomènes observés.

Les simulations MD visaient à reproduire les observations expérimentales et à fournir des informations supplémentaires sur les interactions moléculaires se produisant lors de la congélation des gouttelettes en simulant le comportement des ions, des molécules d'eau et des interfaces de congélation à l'échelle nanométrique.

Germination de glace

Les chercheurs ont observé la formation d’une couche de saumure au-dessus de la gouttelette gelée. Cette couche empêche la formation d'une pointe pointue et maintient une température stable à l'intérieur de la gouttelette.

"Après la formation du film de saumure, des cristaux de glace commencent à germer au fond du film, ce qui est très similaire au processus de germination des graines. Ce phénomène de germination de glace m'a surpris, me donnant l'impression que les gouttelettes étaient vivantes et nourrir une nouvelle vie", a déclaré le Dr Chu.

Ce phénomène unique entraîne la perforation du film de saumure et la croissance accrue des cristaux de glace dans l'air.

Le phénomène de germination de la glace est régi par la condensation interfaciale sur le film de saumure saturée dans des conditions d'air humide.

En d’autres termes, puisque la température du film de saumure est inférieure au point de rosée de l’air ambiant (la température à laquelle l’air devient saturé de vapeur d’eau), la vapeur d’eau de l’air se condense à l’interface du film de saumure. /P>

Cette eau condensée dilue le film de saumure, perturbant son équilibre. En conséquence de cette dilution, le film de saumure devient sursaturé en sel, entraînant la précipitation de cristaux de glace à l'intérieur du film. Les cristaux de glace qui se forment dans le film de saumure augmentent sa concentration en sel, resaturant ainsi le film de saumure à sa température.

"Cela suggère que l'effet de l'humidité environnementale ne peut être ignoré lors de l'étude du processus de transition de phase ou de cristallisation des solutions", a ajouté le Dr Chu.

Définition universelle de la durée de congélation

En plus de ces deux phénomènes observés, les chercheurs ont proposé une définition universelle de la durée de congélation pour quantifier le taux de givrage de gouttelettes présentant des concentrations de sel variables. Il s'agit d'un paramètre important pour évaluer les performances des surfaces et des technologies d'antigivrage.

"En utilisant notre définition de la durée de congélation des gouttelettes salées, les chercheurs pourraient être en mesure d'évaluer quantitativement les performances de leurs méthodes d'antigivrage contre les gouttelettes salées. Cela pourrait être utile pour le développement de technologies d'antigivrage marines", a expliqué le Dr Chu.

L'identification de la formation du film de saumure au-dessus des gouttelettes congelées fournit aux chercheurs un moyen standardisé de marquer la fin du processus de congélation, ce qui facilite la mesure et la comparaison du comportement de congélation des gouttelettes.

Parlant d'applications potentielles aux technologies d'antigivrage, le Dr Chu mentionne la réduction de l'adhérence des gouttelettes d'eau salée gelées.

"Pour une gouttelette d'eau salée, l'ensemble du processus de glaçage se manifeste par une croissance aléatoire de cristaux de glace, et il reste de la saumure concentrée dans les crevasses des cristaux de glace."

"En conséquence, l'adhésion des gouttelettes d'eau salée gelées dépend non seulement de la zone de contact, mais également de l'orientation de la croissance des dendrites de glace et de la distribution de la saumure concentrée. Celles-ci peuvent être contrôlées en ajustant la position des sites de nucléation (formation initiale). pour obtenir une faible adhérence de la glace", a expliqué le Dr Chu.