- Статьи
- Наука и техника
- Холодный подсчет: «идеальная» снежинка из невесомости поможет создать сверхпрочный сплав
Холодный подсчет: «идеальная» снежинка из невесомости поможет создать сверхпрочный сплав
Российские ученые выяснили, какую форму получают снежинки при формировании в невесомости. Идеально симметричными они могут быть только без воздействия на кристалл сил гравитации и температуры, что неизбежно на Земле. Реальная структура ледяных узоров на нашей планете гораздо более сложна и непредсказуема, чем упрощенные схемы. Кроме фундаментального значения новые данные можно будет использовать для получения материалов с заданными свойствами. По словам экспертов, открытие представляет интерес в других сферах. Например, для понимания влияния процессов замерзания на дорожные покрытия и здания.
«Идеальная» снежинка из невесомости
Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) выяснили, как формируются ветвящиеся льда в снежинках и морозных узорах на окнах на Земле и в космосе. Оказалось, что вдали от нашей планеты они могут иметь идеальный симметричный рисунок, однако из-за воздействия гравитации и потоков воздуха с разной температурой их форма получается неидеальной. Помимо фундаментального значения, новые данные можно использовать для расчета процесса затвердевания сплавов, что позволит создавать более прочные, жаростойкие и коррозионно-устойчивые материалы, востребованные в авиастроении и космических технологиях.
— Если говорить упрощенно, то мы опровергли распространенное представление о том, что форма снежинки описывается правильной геометрической фигурой. Исследование показало: форма кончика дендритного кристалла спереди может описываться параболой, но в целом снежинка имеет сложную, негладкую и несимметричную форму, — рассказала соавтор работы, ведущий научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.
Помимо гравитации и температуры воздуха, на то, какими будут кончики снежинок, с какой скоростью они будут расти и с каким радиусом кривизны, влияет и степень переохлаждения воды. А в условиях космоса ледяные отростки растут в практически неподвижной среде, что позволяет им формироваться более симметрично и предсказуемо, следуя только своим внутренним законам кристаллизации.
— Для описания устойчивого режима роста таких кристаллов мы применили геометрико-морфологическую теорию и различные методы расчета. Это позволило нам определить скорость роста вершины дендрита и радиус кончика в зависимости от переохлаждения жидкости в ходе одного и того же эксперимента, — сказал профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Дмитрий Александров.
Точные механизмы формирования ледяных узоров и контроль условий их роста остаются сложной задачей для специалистов. Исследователям предстоит определить такие параметры, как форма поверхности кристаллов льда, устойчивость режимов их роста, скорость и радиус вершины в разных плоскостях, закономерности появления вторичных ветвей, а также процесс перехода от начальной неустойчивой стадии роста к стационарной. Эти данные позволят глубже понять физику кристаллизации и создавать модели для практического применения в материалах и технологиях.
Работа сотрудников УрФУ впервые обобщает и анализирует вместе все известные экспериментальные данные, в том числе полученные в условиях микрогравитации и в космосе. Она дает новую, более точную, реалистичную, неидеализированную модель формы снежинки по сравнению с упрощенными представлениями.
Выращивание органов на орбите
Возможность выращивать материалы с нужными свойствами в невесомости привлекает многих ученых. Так, исследователи МФТИ вместе с коллегами из других научных организаций использовали магнитный биопринтер для выращивания кристаллов белков в условиях микрогравитации на МКС. Конечная цель работы — формирование органов и тканей из живых клеток.
Невесомость подавляет процессы осаждения и конвекции, что позволяет более точно контролировать условия формирования кристаллов и наблюдать их рост в реальном времени. Эксперименты такого рода проводились еще на станции «Мир», и сегодня продолжаются исследования по разработке надежных методов кристаллизации белков в космосе с возможностью тщательного контроля всех этапов процесса.
Кристаллы льда на озере Таватуй, Свердловская область
Полученные данные о формировании снежинок могут иметь прикладное значение для климатологов и метеорологов, отметил руководитель лаборатории геохимии мантии Земли Института геохимии и аналитической химии РАН Антон Шацкий.
— Если ученым удалось обнаружить новые закономерности в формировании кристаллов льда, то это, безусловно интересно. Плотность льда меньше, чем плотность воды в жидком состоянии. А это редко бывает в природе. Многократная кристаллизация и переход обратно в жидкость в осенне-зимний период может приводить к разрушению дорог и строений, а также влиять на горные породы, поэтому этот процесс требует тщательного изучения, — сказал ученый.
Гексагональную форму снежинок впервые объяснил еще 400 лет назад знаменитый немецкий ученый Иоганн Кеплер. Новое исследование поможет лучше понять общие принципы роста кристаллов. При этом их формирование зависит от множества факторов, и гравитация — не самый значимый, считает доцент базовой кафедры неорганической химии и материаловедения Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН Александр Баранчиков.
