Led je na površini tekuć ili površinsko taljenje leda

Model za kvalitativno razumijevanje nekih anomalija u dijagramu oblika omogućen je zahvaljujući otkriću pojave površinskog taljenja kristala leda. Pojava je već dulje vrijeme poznata kod mnogih materijala na temperaturama ispod, ali blizu, temperature taljenja, a nedavno je potvrđena i kod kristala leda [8,9,10]. Radi se o pojavi u kojoj su molekule na površini, i nekoliko molekularnih slojeva ispod, manje čvrsto vezane u kristalnu rešetku. Zbog toga se oscilirajući mogu više udaljiti od svog mjesta u kristalnoj rešetci nego to mogu molekule duboko ispod površine. Također lakše ih je izbaciti iz kristalografskog mjesta (Slika 06 - na pr. položaj 1) prebaciti na površinu (na pr. položaj 5).

Kvazitekući sloj omogućava kvalitativno objašnjenje priličnog broja do sada neobjašnjivih pojava, a pripisuje mu se i sve više važnih funkcija. Sklizavost je svojstvo leda za koje se dugo vjerovalo da dolazi od lokalnog taljenja zbog povećanja pritiska na led i lokalnog zagrijavanja zbog trenja objekta koji se skliže. To se naravno događa, ali sporo i ima zamjetno manji udio u sklizavosti i 'ljepljivosti' leda (snježne grude, lavine). Kvazitekući sloj pokazuje se krucijalnim u odgovornosti za kemijske procese u visokoj atmosferi. Kristalići leda s kvazitekućim slojem idealni su katalizator bez kojega bi se teško mogli objasniti mnogi procesi. Najznačajniji je osiromašenje ozonskog sloja u blizini Južnog pola. Treba još spomenuti i elektricitet, često vidljiv kao bljeskanje, uzrok kojemu su sudari kristalića leda u oblacima. Sve je više procesa u oblacima u kojima ulogu ima inducirani elektricitet

Formiranju kvazitekućeg sloja na površini kristala leda javlja se negdje oko -35oC [8]. Debljina sloja se povećava s povećanjem temperature, da bi se na 0oC proširio na cijeli kristal, što odgovara taljenju. Osim o temperaturi debljina sloja različita je za baznu i bočnu plohu prizme (ovisna o krutosti površine – jakosti kemijskih veza). Za temperature niže od -35oC kristalić ima oblik heksagonske pločice s facetama na baznim i bočnim plohama i karakterizira ga spori rast. Uz malu supersaturaciju, σ raste sporo isključivo mehanizmom mukotrpnog stvaranja novih otočića održive kritične veličine na faceti ili kako je to već navedeno dvodimenzionalnom (2D) nukleacijom. Za brži rast takvog kristala potrebno je znatno povećati σ.

Na otprilike -15oC do -20oC tanki kvazitekući sloj podeblja se i zahvati nekoliko molekulskih slojeva i to na oba tipa ploha. Kvazitekući sloj slabije je vezan na kristal i podložniji fluktuacijama. Sa stajališta parovite faze površina postaje hrapava jer je svaka fluktuacija popraćena velikom količinom novostvorenih stepenica i kinkova uvijek u pratnji. Rast se enormno ubrza što i nije čudo jer se radi o hrapavoj površini. *(Poznato je da je najveći omjer brzina rasta hrapave i facetirane površine od jedanaest redova veličine (1011) zabilježen kod kristala 4He na temperaturama ispod 1.3 K. )

Daljnje povišenje temperature na oko -7oC povećava kavzitekući sloj na bočnim ravninama, dok na baznim ravninama, zbog veće krutosti površine, sloj ostaje približno jednak. Bazna ravnina stoga i dalje raste brzo, dok se brzina bočne ravnine zamjetno snizi. Naime tamo je kvazitekući sloj postao toliko širok da se između parovite i čvrste faze stvorila tekuća faza. Površina kristala, sada u kontaktu isključivo s tekućinom, opet je postala glatka, prešavši tako s hrapavog načina rasta u nukleacijski. S daljnjim sniženjem temperature omjer brzina se toliko poveća u korist bazne ravnine da rastu samo igličasti oblici (vidi Sliku 11).

S daljnjim povišenjem temperature i kvazitekući sloj na baznoj plohi poraste na račun kristala, pa i ona postaje facetirana u odnosu na tekućinu, te prelazi na nukleacijski, spori način rasta. Na tim temperaturama opet bi rasle pločaste prizmice koje, rečeno je, sporo rastu.

Navedena tri stanja kristalne površine, facetirano, hrapavo i kinetički hrapavo predstavljaju načine rasta kristala koji su lako prepoznatljivi kad površina poprima odgovarajuću strukturu. Postoji još jedan način rasta (vidi Sliku 14) koji je, kad je riječ o kristalićima, toliko rijedak da se javlja samo na vrlo niskom temperaturama (oko -60oC) na primjer na Antarktici. Tamo, zbog niske vlažnosti, dakle male supersaturacije, nije moguće ni inicirati niti podržati nukleacijski rast. U samom začetku rasta u slaganju molekula u rešetku pri samonukleaciji formiraju se pogreške u slaganju. One se ne daju ukloniti rastom već do kraja rasta postojano ostaju na površini kao stepenice, doduše u malom broju, posljedica kojih je kontinuiran iako prilično spor rast.

 

Eškola FIZIKA

 

Sadržaj
Uvodna riječ
Oblici pahuljica
Snježna pahuljica – što je to?
Fazni dijagram vode
Povijesni pregled
Kristalna struktura
Zašto se istražuju pahuljice
Rast u laboratoriju
Dijagram oblika pahuljica
Rast pod mikroskopom
Kontrola rasta građom površine
Površinsko taljenje leda
Kontrola rasta difuzijom
Dendritski rast
Literatura

<< >>

  piše dr. sc. Zlatko Vučić
Institut za fiziku, Zagreb