凍結(jié)泡泡病毒視頻啟發(fā)研究現(xiàn)已發(fā)布

科學(xué)探究通常始于“為什么”。

弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員可能已經(jīng)改變了人們對凍結(jié)過程的看法，而不僅僅是回答YouTube視頻提出的問題。

領(lǐng)導(dǎo)弗吉尼亞理工大學(xué)研究員Jonathan Boreyko，工程學(xué)院機械工程助理教授，他的學(xué)生研究人員正在觀看一個關(guān)于肥皂泡凍結(jié)的YouTube視頻。漂浮在泡沫周圍的冰晶令人著迷，讓工程師想知道是什么原因引起了這種現(xiàn)象。

Boreyko和學(xué)生研究人員Farzad Ahmadi和Saurabh Nath都是工程力學(xué)專業(yè)的研究生，而Christian Kingett 是2019年畢業(yè)的工程科學(xué)和力學(xué)本科研究員，他進(jìn)行了文獻(xiàn)研究，發(fā)現(xiàn)沒有人研究過肥皂膜或泡沫凍結(jié)。

該團隊的查詢結(jié)果以簡單的“為什么”開始，已發(fā)表在“ 自然通訊 ”雜志上，解釋了導(dǎo)致冰晶跳入氣泡并旋轉(zhuǎn)的物理背后的物理因素，從而改變了對過程的看法。冷凍。

“我們首先使用冷凍基質(zhì)在實驗室中冷凍氣泡，”Boreyko解釋道。“我們發(fā)現(xiàn)泡沫會從底部凍結(jié)到某個點然后停止。我們沒有得到我們在視頻中看到的那種可愛的'雪球效果'。但是，F(xiàn)arzad做了一個很好的模型，可以準(zhǔn)確根據(jù)氣泡的大小和氣溫預(yù)測凍結(jié)前鋒的位置。“

因為氣泡的外殼在顯微鏡下很薄，所以實驗室中的暖空氣溫度阻止了冷階段使氣泡完全凍結(jié)。移動到步入式冰箱，團隊再次嘗試了實驗，相信他們會發(fā)現(xiàn)漂浮的冰晶是如何形成的。

“起初，我們也沒有在冰箱里看到它，”Boreyko說。“但我們再次嘗試將泡沫存放在冰上而不是干燥的基質(zhì)上，這就是我們看到的東西。”

在零下20攝氏度并使用冰基質(zhì)時，氣泡迅速充滿浮動晶體，加速了氣泡的完全凍結(jié)，并打開了研究人員的眼睛。

艾哈邁迪說：“當(dāng)你將氣泡沉積在冰冷的基質(zhì)上時，氣泡開始凍結(jié)，從而釋放熱量。” “在這種情況下，泡沫的底部變得比泡沫的其余部分更溫暖 - 它是由冰凍引起的加熱。”

當(dāng)水分子融合成緊密堆積的固體晶格時，分子能量釋放，在氣泡頂部產(chǎn)生約14度-20的溫度差，在冷凍基部產(chǎn)生負(fù)6度的溫度差。

“從上到下的溫度梯度改變了表面張力，”Ahmadi說。“這種緊張導(dǎo)致了從炎熱到寒冷的流動。”

這種流動稱為Marangoni Flow。當(dāng)它在冰凍氣泡中發(fā)生時，流動從氣泡底部撕裂冰晶并使它們圍繞液體殼體旋轉(zhuǎn)，在那里它們擴大直到整個氣泡凍結(jié)。

“以前我們認(rèn)為凍結(jié)物的速度有多快取決于凍結(jié)前沿的增長速度，”Boreyko說。“這向我們展示了一個冷凍誘導(dǎo)的Maragoni Flow將從底部移除的冰晶中產(chǎn)生數(shù)百個額外的凍結(jié)前沿。因此，我們意識到這不僅僅是一個前沿增長的速度，而是在像我們的泡沫這樣的情況下，你可以操縱該系統(tǒng)有數(shù)百個凍結(jié)前端協(xié)同工作以更快地凍結(jié)某些東西。“