凍結泡泡病毒視頻啟發(fā)研究現(xiàn)已發(fā)布

科學探究通常始于“為什么”。

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

領導弗吉尼亞理工大學研究員Jonathan Boreyko，工程學院機械工程助理教授，他的學生研究人員正在觀看一個關于肥皂泡凍結的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和學生研究人員Farzad Ahmadi和Saurabh Nath都是工程力學專業(yè)的研究生，而Christian Kingett 是2019年畢業(yè)的工程科學和力學本科研究員，他進行了文獻研究，發(fā)現(xiàn)沒有人研究過肥皂膜或泡沫凍結。

該團隊的查詢結果以簡單的“為什么”開始，已發(fā)表在“ 自然通訊 ”雜志上，解釋了導致冰晶跳入氣泡并旋轉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，可以準確根據氣泡的大小和氣溫預測凍結前鋒的位置。“

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。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上，這就是我們看到的東西。”

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

艾哈邁迪說：“當你將氣泡沉積在冰冷的基質上時，氣泡開始凍結，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，在氣泡頂部產生約14度-20的溫度差，在冷凍基部產生負6度的溫度差。

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

這種流動稱為Marangoni Flow。當它在冰凍氣泡中發(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，在那里它們擴大直到整個氣泡凍結。

“以前我們認為凍結物的速度有多快取決于凍結前沿的增長速度，”Boreyko說。“這向我們展示了一個冷凍誘導的Maragoni Flow將從底部移除的冰晶中產生數(shù)百個額外的凍結前沿。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)百個凍結前端協(xié)同工作以更快地凍結某些東西。“