Физики объяснили кристаллизацию соляных елочек из испаряющегося раствора

Нидерландские физики объяснили, как при кристаллизации из испаряющегося раствора соли образуются сложные древообразные структуры, вырастающие далеко за пределы изначального объема жидкости. Это явление впервые было описано около века назад, но количественно описать его механизм и предложить способ его подавления удалось только сейчас, пишут ученые в Science Advances.

При испарении раствора обычной поваренной соли часто можно наблюдать довольно красивое явление: выпадающие в осадок кристаллы «заползают» на твердую поверхность, с которой контактирует раствор, и начинают расти с нее, превращаясь в причудливые древовидные структуры, выходящие далеко за пределы изначального объема жидкости. Этот эффект называют ползучестью соли (не стоит путать с ползучестью материалов под действием постоянной внешней нагрузки), и характерен он для большинства солей. Встретиться с ползучестью соли легко в повседневной жизни — в первую очередь при испарении дождевых капель, — и поэтому ее последствия тоже хорошо заметны: ползучая соль приводит к коррозии конструкционных материалов, появлению налета на скульптурах и фресках, повреждению уличной электронной техники.

Впервые ползучесть соли описал Роджер Вашбурн больше ста лет назад и объяснял ее капиллярными эффектами в пористых материалах. В частности, он отметил другой необычный факт, связанный с ползучестью растворов солей, — это высокая скорость кристаллизации: даже в макроскопических системах характерное время образования соляных деревьев — несколько минут. За почти век, прошедший с момента статьи Вашбурна, ученые опубликовали несколько объяснений явления, но полноценной модели, которая способна количественно описать ползучесть растворов солей, предсказать скорость кристаллизации и предложить способ подавления этого эффекта, не было.

Для создания такой модели нидерландские физики под руководством Нушина Шахидзадеха (Noushine Shahidzadeh) из Амстердамского университета внимательнее изучили динамику ползучести растворов солей. Ученые наблюдали, как растут древовидные кристаллы из испаряющихся растворов хлорида натрия, хлорида калия и сульфата натрия. Эти растворы поместили в камеру с контролируемой влажностью и опустили внутрь них стеклянную палочку, на которую и должна была «заползать» соль. 

Кристаллизация «выползающих» солей различного состава на стеклянной палочке

M. J. Qazi et al./ Science Advances, 2019

Оказалось, что при относительной влажности в 40 процентов никакой ползучести не наблюдается, кристаллизация происходит только в растворе или на его поверхности и никаких древовидных структур не образуется. Зато если осушить атмосферу и уменьшить влажность до шести процентов, то ситуация меняется и все соли начинают «выползать» из раствора. При этом наличие или отсутсвие эффекта ползучести не зависит от химического состава соли.

Во всех случаях кристаллизация начинается из-за увеличения концентрации соли в процессе испарения раствора, а «заползать» на опущенную в раствор палочку она начинает, когда угол смачивания между палочкой и раствором достигает критического значения (от 20 до 30 градусов в зависимости от химического состава соли). За счет смачивания пленка раствора покрывает сначала палочку, а когда начинается рост кристалла — переползает и на него. Таким образом поверхность только что образовавшегося кристалла сразу же оказывается покрыта тонкой пленкой раствора, которая быстро испаряется и из которой растет новый кристалл.

Модель роста кристалла при достижении нужного угла смачивания

M. J. Qazi et al./ Science Advances, 2019

Такой механизм, во-первых, способствует появлению большого количества новых центров нуклеации, за счет чего кристалл соли начинает ветвиться. А во-вторых, он приводит к увеличению площади испарения и соответственно, резкому увеличению скорости кристаллизации. Процесс таким образом ускоряет сам себя по экспоненциальному закону.

При этом физики отмечают, что поскольку начало экспоненциальной кристаллизации контролируется углом смачивания, то этим процессом можно управлять, добавляя в раствор поверхностно-активные вещества. Они меняют поверхностное натяжение раствора и, соответсвенно, угол смачивания и либо ускоряют, либо наоборот, подавляют «заползание» раствора на твердую поверхность и образования пленки. Например, добавление неионного поверхностно-активного вещества Tween 80, который не взаимодействует с ионами в растворе, позволяет полностью подавить эффект ползучести.

По словам авторов исследования, предложенная ими модель поможет управлять скоростью роста «выползающих» из раствора кристаллов — подавляя ее там, где быстрая кристаллизация соли может помешать, или наоборот, ускоряя, если это необходимо для роста кристаллов определенной формы.

Исследование процессов кристаллизации до сих пор остается актуальным не только с точки зрения коррозии материалов, но и например в климатологии. Изучение зародышеобразования и роста кристаллов льда в облаках помогает лучше описать формирование атмосферных осадков. Например, американские физики, изучая кристаллизацию льда, обнаружили аномальные режимы кристаллизации при температурах от 126 до 262 Кельвинов. А немецкие и британские физики увидели, как лед кристаллизуется на частицах полевого шпата — одного из самых активных центров нуклеации в облаках.

Источник: https://nplus1.ru/news/2019/12/26/creeping-christmas-tree.