A kutatók apró, mindössze néhány száz molekulaméretű cseppekből jeget hoztak létre, és a víz fagyáspontját minden eddiginél alacsonyabbra tolták – ezzel pedig megváltoztatták a jég kialakulásáról alkotott eddigi ismereteinket.
A víz jéggé alakulásának vannak egészen furcsa változatai, például az állatvilágban.
Az erdei békák például úgy élik túl a telet a szárazföldön, hogy hagyják, hogy a testük megfagyjon. Ez lehetővé teszi számukra, hogy gyorsabban felébredjenek a téli álomból, szemben azokkal a fajokkal, amelyek a telet mélyen a víz alatt töltik, megfagyás nélkül. A jégkristályok azonban felszakíthatják a sejtmembránokat, ezért a technikát alkalmazó állatoknak meg kell találniuk a módját annak, hogy megakadályozzák a jég kialakulását a sejtjeikben és szöveteikben. Ha jobban megértjük, hogyan fagy meg a víz, akkor jobban megismerhetjük ezeket az extrém fajokat is – olvasható a Space.com oldalán.
Bár a természet szabályai szerint a víz 0 Celsius-fokon fagy meg, bizonyos körülmények között ennél is hidegebb hőmérsékleti tartományban is folyékony maradhat. Eddig úgy gondolták, hogy a tartomány mínusz 38 Celsius-foknál véget ér; ennél alacsonyabb hőmérsékleten a víz elméletileg megfagy.
A Nature Communications című folyóiratban november 30-án megjelent tanulmányban azonban a kutatóknak sikerült a vízcseppeket folyékony állapotban tartaniuk akár mínusz 44 Celsius-fokos hőmérsékleten is.
Az áttörésüknek két kulcsa volt: nagyon kicsi cseppek és nagyon puha felület.
150 nanométeres cseppekkel kezdték, amelyek alig nagyobbak, mint egy influenzavírus részecskéje, majd egészen 2 nanométeres cseppekig haladtak, ami végül egy 275 vízmolekulából álló csoportot alkotott. Ez a cseppmérettartomány segített a kutatóknak megérteni a méret szerepét a vízből jéggé való átalakulásban.
A kutatók arra jöttek rá, hogy ha a vízcseppeket valamilyen puha anyaggal borítják be, akkor a fagyási hőmérsékletet nagyon alacsony hőmérsékletre lehet csökkenteni. Az általuk használt lágy anyag az oktán volt, a cseppek így kerekebb alakot vettek fel, ami a kutatók szerint elengedhetetlen a jégképződés megakadályozásához alacsony hőmérsékleten.
Mivel a fagyasztási folyamatot ilyen kis méretben gyakorlatilag lehetetlen megfigyelni, a kutatók az elektromos vezetőképességet mérték – mivel a jég jobban vezet, mint a víz – és az infravörös spektrumban kibocsátott fényt használták, hogy pontosan megragadják azt a pillanatot és hőmérsékletet, amikor a cseppek vízből jéggé alakulnak át.
A tudósok azt az eredményt kapták, hogy minél kisebb a csepp, annál hidegebbnek kell lennie ahhoz, hogy jég képződjön. A 10 nanométeres és annál kisebb cseppek esetében a jégképződés mértéke drámaian lecsökkent. Az általuk mért legkisebb cseppekben a jég csak akkor alakult ki, amikor a víz elérte a csontig hatoló mínusz 44 Celsius-fokot.
A tanulmány társszerzője, Hadi Ghasemi, a Houstoni Egyetem professzora azonban még nem tudott választ adni arra a kérdésre, hogy a felhőkben és a biológiai sejtekben lévő mikroszkopikus cseppek még hidegebbek lehetnek, mint eddig gondoltuk.
Az biztos, hogy a felfedezés hasznára válhat az ember alkotta anyagok számára. Ilyen például a légi közlekedés és a különböző energiarendszerek, ahol a jégvédelem kifejezetten fontos.
