Quebrando o gelo:insights moleculares sobre o congelamento de gotículas de água salgada
Figura 1:Comparação da morfologia de congelamento entre gotículas de água pura (esquerda) e gotículas de água salgada (direita) e Figura 2:Fenômeno de brotação de gelo dentro da película de salmoura excluída. Crédito:Dr. Num novo estudo, os investigadores observaram o congelamento de gotículas de água salgada a nível molecular, oferecendo novos conhecimentos para tecnologias de descongelamento e anti-gelo. Ao contrário da sabedoria convencional, estas gotículas não estão em conformidade com os padrões típicos de congelamento observados na água pura.
A equipe de pesquisa, cujo estudo foi publicado na Nature Communications , realizaram experimentos para descobrir a formação de uma película de salmoura (água salgada) no topo das gotículas de água do mar congelada, o que não havia sido relatado anteriormente.
Isto foi acompanhado pelo surgimento de cristais de gelo do fundo da película de salmoura, que crescem até perfurar o topo da gota em um fenômeno denominado "broto de gelo". Estes foram validados usando simulações de dinâmica molecular (MD)
Eles ainda conduziram um experimento análogo para medir as taxas de precipitação e condensação do gelo, apoiando o mecanismo proposto.
Congelamento de água pura versus água salgada
O congelamento de gotículas de água pura normalmente segue um processo bem compreendido em que a gotícula esfria gradualmente até atingir seu ponto de congelamento. Então, os cristais de gelo se formam e crescem, assumindo uma estrutura sólida de gelo com uma ponta pontiaguda e singular.
Por outro lado, o congelamento de gotículas de água salgada introduz complexidades adicionais. À medida que a gota congela, a concentração de sal no seu interior afeta o ponto de congelamento, normalmente diminuindo-o em comparação com a água pura. Isso também faz com que a ponta pontiaguda da gota desapareça, conforme relatado em pesquisas anteriores.
O processo de formação de gelo, que se refere ao acúmulo de gelo em superfícies ou objetos devido ao congelamento de gotículas de água, pode causar danos a diversos processos, como navegação, aviação e infraestrutura.
No entanto, o comportamento das gotículas de água salgada introduz considerações adicionais. A presença de uma camada de salmoura pode influenciar a adesão da gota congelada às superfícies, afetando potencialmente as estratégias anticongelantes ou os revestimentos de superfície projetados para mitigar a formação de gelo.
O primeiro autor do estudo, Dr. Fuqiang Chu, professor associado da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, falou ao Phys.org sobre seu trabalho.
"Estou curioso sobre o fenômeno do gelo e comecei a estudá-lo enquanto fazia meu doutorado. No entanto, acho que as pessoas não conseguiam entender completamente esse fenômeno até agora, especialmente ao usar uma gota binária, como uma gota salgada."
“Neste trabalho, estudamos o processo de congelamento de gotículas salgadas e tentamos descobrir a singularidade do congelamento de gotículas salgadas em comparação com gotículas de água pura”, disse o Dr.
Observação e análise do processo de congelamento
Para estudar o processo de congelamento da água salgada, os pesquisadores usaram água salgada com concentrações variadas de sal. Eles usaram um módulo de refrigeração semicondutor para fornecer resfriamento controlado, permitindo ajustar a temperatura da superfície abaixo do ponto de congelamento das gotículas.
Gotículas de água salgada foram injetadas na superfície experimental, onde foram submetidas ao processo de congelamento. A microfotografia de alta velocidade foi usada para registrar e analisar os fenômenos de formação de gelo, incluindo a formação de filme líquido no topo das gotículas congeladas.
Eles observaram a presença de salmoura concentrada nas gotículas salgadas congeladas, indicando congelamento incompleto, diferente do congelamento de gotículas de água pura.
Com base em medições de temperatura, os pesquisadores desenvolveram um método para prever a duração do congelamento de gotículas salgadas. Eles correlacionaram o aparecimento de um filme líquido no topo das gotículas congeladas com o final do processo de congelamento, fornecendo um indicador visual para a determinação do tempo de congelamento.
As simulações MD foram então utilizadas para validar e complementar os resultados experimentais, oferecendo uma perspectiva de nível molecular, permitindo aos investigadores compreender os mecanismos subjacentes que impulsionam os fenómenos observados.
As simulações MD tiveram como objetivo reproduzir as observações experimentais e fornecer insights adicionais sobre as interações moleculares que ocorrem durante o congelamento de gotículas, simulando o comportamento de íons, moléculas de água e interfaces de congelamento em nanoescala.
Gelo brotando
Os pesquisadores observaram a formação de uma camada de salmoura no topo da gota congelada. Esta camada evita a formação de uma ponta pontiaguda e mantém uma temperatura estável dentro da gota.
“Após a formação do filme de salmoura, alguns cristais de gelo começam a brotar no fundo do filme, o que é muito semelhante ao processo de germinação das sementes. Esse fenômeno de brotamento de gelo me surpreendeu, me fazendo sentir como se as gotículas estivessem vivas e nutrindo uma nova vida", disse o Dr. Chu.
Este fenômeno único resulta na perfuração da película de salmoura e no crescimento adicional de cristais de gelo no ar.
O fenômeno de formação de gelo é governado pela condensação interfacial no filme saturado de salmoura sob condições de ar úmido.
Por outras palavras, uma vez que a temperatura da película de salmoura é inferior ao ponto de orvalho do ar circundante (a temperatura à qual o ar fica saturado com vapor de água), faz com que o vapor de água do ar se condense na interface da película de salmoura.
Esta água condensada dilui a película de salmoura, perturbando o seu equilíbrio ou equilíbrio. Como consequência desta diluição, o filme de salmoura fica supersaturado com sal, levando à precipitação de cristais de gelo no interior do filme. Os cristais de gelo que se formam dentro da película de salmoura aumentam a sua concentração de sal, re-saturando assim a película de salmoura à sua temperatura.
“Isso sugere que o efeito da umidade ambiental não pode ser ignorado ao estudar a transição de fase ou processo de cristalização de soluções”, acrescentou o Dr.
Definição universal de duração do congelamento
Além desses dois fenômenos observados, os pesquisadores propuseram uma definição universal de duração do congelamento para quantificar a taxa de congelamento de gotículas com concentrações variadas de sal. Este é um parâmetro importante para avaliar o desempenho de superfícies e tecnologias antigelo.
"Usando nossa definição de duração do congelamento para gotículas salgadas, os pesquisadores podem avaliar quantitativamente o desempenho de seus métodos anti-gelo contra gotículas salgadas. Isso pode ser útil para o desenvolvimento de tecnologias marinhas anti-gelo", explicou o Dr.
A identificação da formação da película de salmoura no topo das gotículas congeladas fornece aos pesquisadores uma maneira padronizada de marcar o final do processo de congelamento, facilitando a medição e comparação do comportamento de congelamento das gotículas.
Falando de aplicações potenciais para tecnologias anticongelantes, o Dr. Chu menciona a redução da adesão das gotículas de água salgada congelada.
"Para uma gota de água salgada, todo o processo de formação de gelo se manifesta como um crescimento aleatório de cristais de gelo, e há salmoura concentrada remanescente nas fendas dos cristais de gelo."
"Como resultado, a adesão de gotículas de água salgada congelada não depende apenas da área de contato, mas também está relacionada à orientação de crescimento dos dendritos de gelo e à distribuição de salmoura concentrada. Isso pode ser controlado ajustando a posição dos locais de nucleação (formação inicial) para obter uma baixa adesão ao gelo", explicou o Dr. Chu.
