W internecie są filmiki z doświadczeń z butelkami z bardzo czystą wodą przechłodzoną która szybko zamarza. Czy możliwe jest kontrolowanie procesu zamarzania wody przechłodzonej i zmiany jej w lód? Można to jakoś obliczyć w którym miejscu i czasie woda zamarznie? W związku z tym czy wykorzystuje się to jakoś w praktyce w jakiejś maszynie, np. lód tworzy się w odpowiednim miejscu w cylindrze i odpycha się w stożku niczym tłok bo ma większą objętość? Aha i jeszcze jedno: W Wikipedii pod hasłem „Woda przechłodzona” jest napisane że można nawet bardzo szybko brudną wodę ochłodzić poniżej 0 stopni Celsjusza. Zastanawia mnie jak szybko i w jaki sposób ktoś to zrobił.
Jak kontrolować zamarzanie wody przechłodzonej?
Pytanie
Odpowiedź
Woda przechłodzona jest w stanie metastabilnym. Stanem stabilnym jest lód. Żeby przejść ze stanu metastabilnego w stan stabilny wystarczy przechłodzoną wodę trochę zaburzyć. Na przykład uderzając w butelkę, czy wrzucając do wody zarodki krystalizacji. W przypadku przechłodzonej wody, zarodkiem krystalizacji może być po prostu lód. Przechłodzona ciecz zacznie zamarzać w miejscu zaburzenia. Natomiast czas w jakim zmieni stan z ciekłego na stały zależy od prędkości z jaką postępuje krystalizacja. Proces krystalizacji jest skomplikowany i nie ma prostego wzoru który mówiłby jak szybko krystalizacja przebiega.
Odnośnie praktycznych zastosowań to nie wiem niestety o mechanicznym wykorzystaniu procesu krystalizacji. Natomiast przechłodzona woda, zamiast lodu, jest korzystna w pewnych sytuacjach. Lód zajmuje większą objętość niż woda. Powoduje to, że podczas mrożenia produktów spożywczych formujące się kryształki lodu rozrywają komórki. Wpływa to na smak mrożonych produktów. Mrożenie jedzenia tak by nie doszło do formacji lodu poprawiłoby jakość takich produktów. Z podobnych przyczyn wiąże się nadzieje ze stosowaniem przechładzania przy przechowywaniu narządów przeznaczonych do transplantacji.
Natomiast w kwestii szybkiego chłodzenia, istnieje kilka sposobów by w fizyce coś szybko schłodzić. Jedna z metod, dająca czas chłodzenia rzędu $10^6$ K/s, jest następująca. Najpierw za pomocą ultradźwięków rozbija się wodę na drobne krople tworząc coś na kształt mgiełki. Średnica pojedynczej kropli wynosi kilkanaście mikrometrów (1 mikrometr to jedna tysięczna milimetra). Następnie rozpędza się tę mgiełkę do dużych, ponaddźwiękowych, prędkości. Tak rozpędzona zawiesina kropel wody uderza w zimną płytkę (o temperaturze około kilkudziesięciu Kelvinów), co powoduje bardzo szybkie ochłodzenie kropel wody. W ten sposób uzyskuje się bardzo wiele, bardzo małych i bardzo szybko schłodzonych kropel wody. Woda w tych kropelkach nie jest lodem, lecz jest szkłem. To znaczy, że jest w stanie stałym, ale nie krystalicznym: cząsteczki wody w szkle nie są uporządkowane tak jak w lodzie. Woda w stanie szkła nie jest też wodą przechłodzoną. Cząsteczki wody przechłodzonej mają dużą swobodę poruszania się, natomiast cząsteczki w szkle takiej swobody nie mają. Woda przechłodzona staje się szkłem poniżej temperatury zeszklenia wynoszącej około -146 stopni Celsjusza (lub 127 K). Więcej informacji o wodzie i różnych jej stanach można znaleźć w tym popularnonaukowym artykule Supercooled and Glassy Water.