Zum ersten Mal haben Wissenschaftler die Gefrierdynamik eines Flüssigkeitströpfchens beim Auftreffen auf eine viel kältere Oberfläche direkt erfasst. Es stellte sich heraus, dass in diesem Fall nicht das übliche Kristallwachstum, sondern expandierende konzentrische Eisfronten zu beobachten sind. Die Ergebnisse können in einer Reihe von Bereichen nützlich sein, unter anderem beim 3D-Druck und bei der Entwicklung von Methoden zum Schutz von Flugzeugen vor Vereisung, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.
In vielen Situationen wird der Verlauf physikalischer Phänomene von mehreren Prozessen gleichzeitig beeinflusst. In solchen Fällen können Phänomene auftreten, die bei der Untersuchung einfacherer Probleme nicht beobachtet werden. Die Gleichgewichtsthermodynamik wird beispielsweise verwendet, um Prozesse zu untersuchen, die eine quasi-statische Beschreibung zulassen, dh in Form einer kontinuierlichen Reihe von glatt ineinander fließenden Zuständen des thermodynamischen Gleichgewichts darstellbar sind. Einige reale Prozesse weichen eher schwach von diesem idealen Schema ab, daher stimmt ihre Analyse durch die klassische Thermodynamik gut mit Messungen überein, aber in anderen Fällen führen die Abweichungen zu einer Diskrepanz zwischen der einfachsten Theorie und dem Experiment.
Das Einfrieren von Flüssigkeiten gilt auch für ähnliche Situationen. Der einfachste Fall ist die allmähliche Bildung von Eiskristallen in einem ruhenden Tropfen. Wird die Aufgabe jedoch erschwert, zum Beispiel durch Windzugabe oder einen großen Temperaturgradienten, dann können sich sowohl die Dynamik des Prozesses als auch der Endzustand deutlich ändern.
Physiker aus den Niederlanden und Deutschland unter der Leitung von Detlef Lohse von der Universität Twente untersuchten das Gefrieren eines Hexadecan-Tröpfchens (Schmelzpunkt +18 Grad Celsius) in einem stark ungleichgewichtigen Fall des Fallens auf eine unterkühlte Oberfläche. Es stellte sich heraus, dass sich bei einer Oberflächentemperatur von 11 Grad oder mehr unter dem Schmelzpunkt mehrere Wellen des Phasenübergangs nacheinander im Tröpfchen zu bewegen beginnen. Den Autoren gelang es, dieses Phänomen mit einer Kombination aus der Theorie der Kristallisationskeimbildung und der Hydrodynamik des gesamten Tröpfchens zu beschreiben, die selten gleichzeitig betrachtet werden.
Die Motivation für die Durchführung einer solchen Studie war die weit verbreitete Anwendung eines solchen Kristallisationsmodus in Natur und Technik: Regen, der auf eine kalte Oberfläche fällt, Tintenaushärtung von Tintenstrahldruckern, einige Arten des 3D-Drucks sowie die tief-ultraviolette Photolithographie, bei der Tropfen aus geschmolzenem Zinn werden verwendet. Viele Arbeiten haben sich mit der Mechanik der Verformung und Ausbreitung eines Tropfens in diesem Modus befasst, aber der Einfluss auf Phasenübergänge wurde nicht ausreichend detailliert untersucht.
Um den Prozess zu fixieren, nutzten die Autoren den Effekt der Totalreflexion, der in einem hohen Reflexionskoeffizienten von der Grenzfläche zu einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex bei einem Einfallswinkel des Strahls nahe dem direkten besteht. In diesem Fall wurde ein roter Laser verwendet und die Verarbeitung des reflektierten Signals ermöglichte es, mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die Dynamik im Tröpfchen bei der Dicke der evaneszenten Welle (ca. 100 Nanometer) zu bestimmen.
Physiker haben herausgefunden, dass die Ergebnisse vom Grad der Unterkühlung der Saphiroberfläche abhängen. Ist seine Temperatur nicht sehr niedrig, so steigt in der Flüssigkeit nach kurzer Zeit eine durch einen Tropfen an die Oberfläche gedrückte Luftblase auf. Bei ausreichender Temperaturdifferenz bleibt die Blase in Kontakt mit der Oberfläche und spielt die Rolle eines Defekts, der die radiale Bewegung der im Tropfen entstehenden Kristallisationszentren verstärkt, die sich in Form mehrerer aufeinanderfolgender Wellen bewegen.
Zuvor haben Physiker das Einfrieren von Seifenblasen herausgefunden, die Explosion gefrierender Tröpfchen erklärt und auch den Grund für die Konservierung von Stoffen in flüssiger Form auf Pluto vorgeschlagen - kohlensäurehaltiges Eis könnte dafür verantwortlich sein.
