Ученые БФУ визуализировали тепловые процессы при замерзании капель воды

Физики БФУ им. И. Канта представили видео, на котором видно, какие процессы происходят внутри капли воды при ее замерзании. Коллектив НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника» использовали методы лазерной спектроскопии. Они самостоятельно разработали методику и собрали установку для наблюдений.

«В воду мы добавляли люминесцентное вещество — эозин. Оно преобразовывает поглощенную энергию в световое излучение, которое может увидеть человеческий глаз. Каплю этого раствора мы замораживали потоком холодного газообразного азота, постоянно подсвечивая лазером. Для регистрации использовали детектор, который записывает спектры излучения с высокой скоростью, и высокоскоростную видеокамеру», — рассказала научный сотрудник НОЦ Наталья Мыслицкая.

Как пояснила ученый, в процессе кристаллизации капли выделяется тепловая энергия, как следствие — резко возрастает интенсивность люминесценции. Камера записывает этот процесс со скоростью 500 кадров в секунду.

«Анализ полученных данных привел к интересным открытиям. Мы смогли зарегистрировать начальный момент замерзания, при котором свечение нарастает в течение 4 миллисекунд. После чего капля светится с примерно одинаковой интенсивностью, затем постепенно затухает и полностью свечение прекращается к моменту полного замерзания», — отметила исследователь.

  Ученые смогли ответить на вопрос, как замерзает капля — с поверхности или изнутри.

«При анализе было определено, что сначала образуется светящееся «кольцо» по краю, и затем свечение распространяется на весь объем. То есть процесс кристаллизации происходит от поверхности капли к середине. Мы также проверили, как замерзают капли, содержащие наночастицы серебра. Процесс кристаллизации у них идет в нелинейном режиме — это повод для новых исследований», — подчеркивает Наталья Мыслицкая.

По словам эксперта, полученные данные, могут быть использованы в медицине, биологии, при изучении термодинамики гетерогенных сред (аэрозолей, эмульсий и т.д.), полиграфии. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале «Experimenal Heat Transfer». Над статьей работал коллектив НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника» — научный руководитель коллектива, профессор Валерий Брюханов, сотрудники центра Наталья Мыслицкая, Анна Цибульникова, Василий Слежкин, Илья Самусев, а также профессор КГТУ Юрий Антипов.