弗吉尼亚理工大学的研究人员可能已经改变了人们对冻结过程的看法，而不仅仅是回答YouTube视频提出的问题。
领导弗吉尼亚理工大学研究员Jonathan Boreyko，工程学院机械工程助理教授，他的学生研究人员正在观看一个关于肥皂泡冻结的YouTube视频。漂浮在泡沫周围的冰晶令人着迷，让工程师想知道是什么原因引起了这种现象。
Boreyko和学生研究人员Farzad Ahmadi和Saurabh Nath都是工程力学专业的研究生，而Christian Kingett 是2019年毕业的工程科学和力学本科研究员，他进行了文献研究，发现没有人研究过肥皂膜或泡沫冻结。
该团队的查询结果以简单的“为什么”开始，已发表在“ 自然通讯 ”杂志上，解释了导致冰晶跳入气泡并旋转的物理背后的物理因素，从而改变了对过程的看法。冷冻。
“我们首先使用冷冻基质在实验室中冷冻气泡，”Boreyko解释道。“我们发现泡沫会从底部冻结到某个点然后停止。我们没有得到我们在视频中看到的那种可爱的'雪球效果'。但是，Farzad做了一个很好的模型，可以准确根据气泡的大小和气温预测冻结前锋的位置。“
因为气泡的外壳在显微镜下很薄，所以实验室中的暖空气温度阻止了冷阶段使气泡完全冻结。移动到步入式冰箱，团队再次尝试了实验，相信他们会发现漂浮的冰晶是如何形成的。
“起初，我们也没有在冰箱里看到它，”Boreyko说。“但我们再次尝试将泡沫存放在冰上而不是干燥的基质上，这就是我们看到的东西。”
在零下20摄氏度并使用冰基质时，气泡迅速充满浮动晶体，加速了气泡的完全冻结，并打开了研究人员的眼睛。
艾哈迈迪说：“当你将气泡沉积在冰冷的基质上时，气泡开始冻结，从而释放热量。” “在这种情况下，泡沫的底部变得比泡沫的其余部分更温暖 - 它是由冰冻引起的加热。”
当水分子融合成紧密堆积的固体晶格时，分子能量释放，在气泡顶部产生约14度-20的温度差，在冷冻基部产生负6度的温度差。
“从上到下的温度梯度改变了表面张力，”Ahmadi说。“这种紧张导致了从炎热到寒冷的流动。”
这种流动称为Marangoni Flow。当它在冰冻气泡中发生时，流动从气泡底部撕裂冰晶并使它们围绕液体壳体旋转，在那里它们扩大直到整个气泡冻结。
“以前我们认为冻结物的速度有多快取决于冻结前沿的增长速度，”Boreyko说。“这向我们展示了一个冷冻诱导的Maragoni Flow将从底部移除的冰晶中产生数百个额外的冻结前沿。因此，我们意识到这不仅仅是一个前沿增长的速度，而是在像我们的泡沫这样的情况下，你可以操纵该系统有数百个冻结前端协同工作以更快地冻结某些东西。“