Составители:
Рубрика:
кристаллографическое различие будет приводить к возникновению на границе раздела фаз
дислокаций, что будет повышать удельную поверхностную энергию (σ
i
). В этом случае пограничная
зона между ледяным зародышем и поверхностью субстрата может быть представлена состоящей из
отдельных участков хорошего кристаллографического соответствия, ограниченных линейными
дислокациями.
Как уже отмечалось, существуют разные способы инициирования образования ледяной фазы.
Если аэрозольная частица окружена влажным воздухом, то происходит адсорбция молекул воды из
окружающей газовой фазы на активных центрах сухой поверхности частицы, образующая
двухмерные участки воды, которые при более высоком давлении пара растут, превращаясь в
многослойные трехмерные структуры. Чем крупнее эти структуры, тем выше зародышеобразующая
способность частиц. Для превращения этих скоплений в лед требуется среда, насыщенная
относительно воды, если температура среды выше критической. Причем для каждого вещества
характерна своя температура льдообразования, которая определяется химической и
кристаллографической природой льдообразующих частиц, а также наличием активных центров на их
поверхности — гидрофильных центров на преимущественно гидрофобной поверхности и дефектов
поверхности (дислокации).
Когда аэрозольная частица окружена переохлажденной каплей, после захвата ее этой каплей
или после конденсации водяного пара на ней молекулы воды обладают уже определенным
структурным расположением — скоплением молекул, которое тем отчетливее выражено, чем ниже
температура. Стабилизация скоплений молекул воды (10
-11
÷10
-10
c) может происходить также путем
адсорбции молекул воды активными центрами поверхности частицы.
Г.Эдвардс и Л.Ивенс на основе экспериментальных исследований предположили, что
образование льда в переохлажденной воде зависит от характера развития участков
мономолекулярного слоя воды на твердой поверхности частиц. Мономолекулярный слой будет
относительно беспорядочным с большой свободой перемещения молекул воды вследствие
поверхностной диффузии при температуре выше характеристической, если поверхность частицы
имеет умеренное сродство к воде и в основном гидрофобна. Ниже этой температуры при условии
кристаллографического подобия твердая поверхность способна постепенно преобразовывать
беспорядочный мономолекулярный слой в кристаллическое льдоподобное состояние (2М-лед). Это
льдоподобное состояние стабилизируется преимущественно латеральными (боковыми) водородными
связями и закрепляется на поверхности ее активными центрами. Дальнейшая нуклеация льда
происходит лишь с очень большим переохлаждением или без него. Если твердая поверхность имеет
сильное сродство к воде из-за наличия полярных групп, избыточного числа водородных связей или
сильно гидратированных катионов, то адсорбированный слой может приобрести крепко спаянную
структуру, которая непригодна для образования 2М-льда. В этом случае должен образоваться второй
адсорбированный, достаточно неупорядоченный слой, чтобы произошел переход в 2М-лед.
Молекулярная модель образования льда на поверхности с использованием представлений о
кластерах была разработана Р.Пламмером, Б.Хейлом и другими исследователями. Предполагалось,
что молекулы воды связываются водородными связями, кластеры имеют хорошо выраженную
структуру, внутренние свойства молекул влияют на образование кластеров, время жизни кластеров
достаточно велико, чтобы можно было охарактеризовать их колебательный спектр, кластеры на
поверхности и кластеры в газовой среде ведут себя как смесь невзаимодействующих между собой
идеальных газов, структура кластера на льдоподобной поверхности не сильно изменяется связью с
поверхностью. Свободная энергия формирования кластера с уменьшением температуры возрастает, а
скорость нуклеации уменьшается, так как уменьшается поток молекул к поверхности кластера.
Эффективность льдообразования определяется, вероятно, возможностями возникновения кластеров в
первом адсорбированном слое благодаря определенному расположению центров адсорбции. Для
образования кластера энергетически благоприятно условие примерного равенства теплоты
адсорбции отдельной изолированной молекулы энергии отдельной водородной связи. Тогда вокруг
первой адсорбированной молекулы образуется кластер из пяти молекул, имеющий льдоподобную
структуру. Вместе с тем для эффективного льдообразования, как полагает А.Цеттльмойер[61],
необходимо, чтобы адсорбированная молекула воды в первом монослое не имела связи с другими
молекулами (площадь миграции ∼1,2
⋅
10
-14
см
2
). При регулярной адсорбции молекул на всей
поверхности адсорбента рост кластеров замедляется, так как молекулы воды прежде чем
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 156
- 157
- 158
- 159
- 160
- …
- следующая ›
- последняя »
