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