Процесс замерзания воды лишь на первый взгляд кажется предельно простым: на самом деле физики до сих пор пытаются восстановить точный механизм того, как кристаллизуется чистая, беспримесная жидкость. И помогает им в этом сложнейшая ультрасовременная аппаратура.
Под пригородом Гамбурга в Германии находится подземный ускоритель частиц, в котором электроны разгоняются почти до скорости света, проносясь через систему магнитов. При этом они испускают излучение, создающее один из самых мощных рентгеновских лазерных лучей в мире. Этот уникальный инструмент — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) — помогает специалистам снимать «фильмы» о химических реакциях и картировать атомные структуры вирусов. Теперь же ученые решили использовать его для раскрытия тайны процесса, который озадачивает научный мир на протяжении уже полутора веков: как именно замерзают вода и другие жидкости.
Понимание механизма замерзания важно далеко за пределами чистой физики. В верхней тропосфере, при температурах ниже −40 °C, вода в облаках, так как она не содержит примесей, часто замерзает через однородное зародышеобразование. Там формируются перистые облака из микроскопических кристаллов льда, которые задерживают и перенаправляют тепловое излучение Земли, оказывая заметный разогревающий эффект. Недостаточное понимание процессов образования таких кристаллов прямо влияет на точность климатических моделей.
Похожая проблема существует и в геофизике: считается, что твердое железное ядро Земли выросло через однородное кристаллизационное зародышеобразование из жидкого внешнего ядра, но упрощенные расчеты отводят на этот процесс сроки, превышающие возраст планеты. В металлургии отсутствие полного понимания процессов кристаллизации затрудняет прогноз структуры и свойств сплавов при затвердевании.
Источник: hi-tech.mail.ru