0http://www.uchzap.com
ISSN 2658-7114 (Print) ISSN 2542-0070 (Online)
УДК 538.915, 538.956
DOI: 10.21209/2658-7114-2020-15-3-122-133
Алексей Олегович Орлов,
кандидат физико-математических паук, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, (672014, Россия, г. Чита, ул. Недорезова, 16а), e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0003-2574-ISIX
Обнаружение льда 0 в различных искусственных и природных средах1
Выполнены исследования новой модификации кристаллического льда - льда 0, которая может образовываться только из переохлаждённой воды. Для этого проведены эксперименты с различными пористыми средами, искусственными и природными, содержащими воду в порах нанометровых размеров. Измеряли диэлектрические параметры сред, а также некоторые их электрические свойства. К ним относятся коэффициенты отражения излучения увлажнённых силикатов на частоте 12.4 ГГц и поглощения в ветках и хвое сосны на частоте 5.3 ГГц, тангенс угла диэлектрических потерь силикатных сорбентов на частотах от сотен герц до сотен кГц, собственные электрические флуктуации в полосе частот 1 Гц... 100 Гц и пропускание электромагнитного излучения видимого диапазона через образцы из прозрачных диэлектриков с тонким слоем льда на их поверхности. Температурный диапазон для разных экспериментов достигал значений от +20 до -170 °С. Обнаружено увеличение
0.52
температур -20 ... — 24°С обнаружены резкие изменения параметров увлажнённых силикатов и древесины сосны, которые можно объяснить образованием или деструкцией се-гнетоэлектрического льда 0. Высказаны две возможные причины такого поведения параметров при образовании льда 0. Это возникновение высоко проводящего слоя на контакте сегнетоэлектрического льда с другим диэлектриком, а также возникновением в этом слое поверхностных плазмонов.
Ключевые слова: лёд 0, переохлаждённая вода, дистанционное зондирование, сегне-тоэлектричество, электромагнитные свойства
Введение. В ряде работ зарубежных авторов опубликована информация о получении при компьютерном моделировании методами молекулярной динамики новой кристаллической модификации льда. Эту модификацию назвали «лёд 0», так как он предшествует образованию льдов /^ и /С [17; 18; 22], Этот лёд служит своего рода переходной ступенью от воды к льду. Трудность получения такого льда прежде всего состоит в том, что он образуется только из переохлаждённой воды при температурах ниже —23 °С, Вместе с тем, лёд 0 обладает особыми свойствами, что может
1Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 20-05-00563 «Образование льда 0 в различных природных средах и его влияние на их диэлектрические свойства.»
122
© Орлов А. О., 2020
помочь его обнаружить, в то же время, создаёт аномалии евойев сред, в которых он образуется. Лёд 0 — сегнетоэлектрик [17].
Несмотря на то, что ранее представлено экспериментальное доказательство образования льда 0, прямое экспериментальное подтверждение его существования с использованием методов нейтронографии или комбинационного рассеяния видится проблематичным [4]. Поскольку количество льда 0, полученного в данной работе, может быть недостаточным для этих методов [12]. Переохлаждение до нужных температур в экспериментах получено с использованием нанопориетых силикатных материалов с размерами пор в нееолько нанометров. Получить достаточное количество переохлаждённой воды в объёме при этих температурах очень сложно, а область ниже -37 °С вообще считается недоступной для современных методов и называется в зарубежной литературе "no man's land" [16].
В настоящее время минимальная температура, до которой удалось переохладить воду, не замкнутую в поровое пространство, -46 °С [20]. В этой работе исследовали капли воды микронных размеров при испарении их в вакууме. Однако кристаллическую фазу авторы не изучали.
Известно также, что в порах нанометровых размеров вода может переохлаждаться до температуры -90 °С [13]. В силикатных материалах свойства только слоя ~ 0, 4 ... 0, 5 пм определяютя структурой поверхности пор, остальные слои, при диа-3
Поэтому данные материалы удобны для исследования свойств переохлаждённой объёмной воды. Чтобы получить её требуемые количества, необходимо использовать силикатные материалы с размерами пор > 2... 6 пм. В этом случае, согласно модифицированной формуле Гиббса - Томсона [24], температура таяния льда, например, в порах с размером 6 пм составляет ~ -20 °С, Однако такое переохлаждение недостаточно для эксперимента, поскольку значение перехода -23 °С является оценочным. Вместе с тем, дополнительное переохлаждение можно получить при режиме охлаждения среды (дополнительно на 10 °С) и использовании неполного заполнения пор
20 °
Помимо сложности получения переохлаждённой воды наблюдения льда 0 осложнены ещё и не установленными особенностями его образования и существования (режимы охлаждения, температурные границы и т. п.). На сайте профессора Chaplin'a лёд 0 назван компьютерным льдом из-за отсутствия прямых экспериментальных наблюдений [10].
В данной работе исследовались экспериментальные показатели, которые могли бы указать на существование льда 0. Эти данные получены с использованием различных электрических измерений, более чувствительных к малым значениям массы сегнетоэлектрической фракции. Для обнаружения образования льда 0 использовались данные, касающиеся свойств этого льда. Во-первых, он образуется только
-23°
возникает сегнетоэлектрпческое упорядочение протонов кристаллической решётки. Дополнительно выполнены оптические измерения, чтобы определить спектральные области проявления льда 0.
Методика эксперимента. Так как воду для получения льда 0 надо было пере--23°
3... 9
случае определяется по формуле Гиббса - Томсона: ДТ = (Т0 — Тт) = к/(г — ¿), где Т0 — температура таяния льда при нормальных условиях (Т0 = 0 °С); Тт — тем-
к
значение 58 К-нм [24]; г - радиус пор, Ь = 0, 38 нм, и составляет 15... 52 °С, Из-за гистерезиса температуры замерзания воды удаётся получить дополнительное переохлаждение ~ 10 °С, Кроме того, температура замерзания дополнительно понижает-20 °
порах фазовый переход происходит не скачком, а растягивается на интервал ~ 10 °С, В результате, при неполном заполнении нор водой в экспериментах удалось получить переохлаждение —45 ... — 82 °С,
Поскольку при образовании льда 0 резко изменяются электрические параметры образца, использовались методы экспериментов, чувствительные к этим свойствам. Например, определяли коэффициент отражения микроволнового излучения от границы «среда — воздух», исследовали прохождение микроволнового излучения через образец |2|, который изменяется в момент фазового перехода жидкости в твёрдое тело 1211, Применяли метод низкочастотной диэлектрической спектроскопии |7| и исследования собственных низкочастотных электрических флуктуаций |4|, Определяли прохождение оптического излучения через топкий слой льда, осаждённый па диэлектрической подложке. В оптических экспериментах основное влияние па отра-
0, 1 . . . 1
па границе льда 0 и диэлектрика. Поэтому специальным режимом в холодильной
1
Схемы экспериментальных установок приведены па рис, 1.
Рис. 1. Схемы экспериментальных установок: а) микроволновых измерений коэффициента отражения: 1 термостат. 2 термопара. 3 сосуд Дыоара с жидким азотом. 4 резистор испаритель. 5 источник питания испарителя. 6 СВЧ-детектор. 7 циркулятор. 8 усилитель. 9 система сбора информации. 10 генератор шума: б) оптического просвечивания тонкой плёнки
льда 0. конденсированной на прозрачную диэлектрическую пластину: 1 лазер. 2 диэлектрическая подложка. 3 фотодетектор. 4 термопара. 5 система сбора информации. 6 сосуд Дыоара с жидким азотом. 7 резистор испаритель. 8 стабилизированный источник
питания испарителя. 9 камера из полиэтилена
Fig. 1. Layout of the setups: a) microwave measurements of the reflection coefficient: 1 thermostat. 2 thermocouple, 3 Dewar vessel with liquid nitrogen, 4 resistor evaporator, 5 source evaporator power supply, 6 microwave detector, 7 circulator, 8 amplifier, 9 data acquisition system, 10 noise generator: b) optical transmission of a thin ice film 0 condensed onto a transparent dielectric plate: 1 laser, 2 dielectric substrate, 3 photodetector, 4 thermocouple, 5 system information collection, 6 Dewar vessel with liquid nitrogen, 7 resistor evaporator, 8 stabilized power supply of the evaporator, 9 polyethylene camera
Микроволновые измерения коэффициента отражения по мощности (Я) выполняли на частоте 12.4 ГГц, При измерении коэффициента отражения на частоте увлажнённую среду помещали в прямоугольный волновод сечением 23 х 10 мм2 и длиной 140 мм (рис, 1а). Создавали плоскую границу среды в волноводе, длина его была выбрана такой, чтобы выполнить условие полубесконечной среды (то есть затухание 140
отсутствовал),
Измерения действительной (е') и мнимой (е'') частей относительной диэлектрической проницаемости (е) выполнены на частотах 120 ... 100 кГц, Схема установки схожа со схемами на рис, 1а, но вместо полноводных линий использовалась ёмкост-
40 х 40 2
измерителем. Для определения областей фазовых переходов с резким изменением электрической доменной структуры найден тангенс угла диэлектрических потерь: Ьд5 = е''/е', который характеризует степень поглощения в среде электромагнитной энергии.
Измерения электрических шумов выполнены в полосе частот 1 ... 100 Гц, На этих частотах сегпетоэлектрические материалы можно исследовать по возрастанию шумов, определяемых эффектом Баркгаузена [И]. Этот эффект связан с чувствн-тельностью электрической доменной структуры к изменениям температуры, механических напряжений и других внешних воздействий на среду. Измерения также проводили в ёмкостной ячейке, но сигнал снимали специальным детектором с фильтром и усилителем.
Оптические измерения выполнены с использованием маломощного полупроводникового лазера (1) - рис, 16, па длину волны 0, 52 мкм. Для получения образца в виде тонкой плёнки на диэлектрической пластинке камеру (9) охлаждали парами азота, которые, помимо охаждения, вытесняли из камеры пары воды. После достижения подложкой (2) температуры (-150 °С... — 170 °С) камеру герметизировали и отключали испаритель азота (8), При дальнейшем процессе нагревания адсорбированные пары воды, испаряясь на нагреваемых поверхностях и диффундируя, конденсировались на более холодной подложке при температурах —120 ... — 70 °С, Во время температурных изменений выполняли измерения проходящей мощности излучения с использованием фотодетектора и усилителя (3), Для повышения чувствительности измерений использовали синхронное детектирование принимаемого излучения.
Все эксперименты сопровождались измерением температуры термопарой с точ-1°
Резулыпаты экспериментов. Результаты измерений, выполненных на низких частотах представлены на рис, 2,
При измерениях собственных шумов образца при нагревании происходило их
0°
которых сопровождался несколькими импульсами поглощения тепла и начинался при - —21 °С [3]. Из измерений 1д5 видно^ что при понижении температуры ниже —25°
шением потерь в образце.
На рис, 3 отображены результаты измерений коэффициента отражения микроволною излучения от образца увлажнённого силикатного материала и прохождения излучения на частоте ~ 5 ГГц через хвою и ветки сосны, в которых содержатся поры 2
Рис. 2. Температурные зависимости параметров увлажненных образцов SB А-15 при низкочастотных измерениях: а) сродного значение амплитуды шумов в полосе частот 1... 100 Гц при нагревании; б) тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 120 Гц при
охлаждении
Fig. 2. Temperature dependences of the parameters of wetted SBA-15 samples during low-frequency measurements: a) the average value of the noise amplitude in the frequency band 1... 100 Hz when heated; b) the dielectric loss tangent at a frequency of 120 Hz during cooling
R _ L, дБ
0.24 0.20 0.16 0.12 0.08
д» а)
\t •
5
б)
* N / \ ч ✓ /
4 _ /
-100 -50 0 7", °C -40 -30 -20 -10 0 T,°C
Рис. 3. Измерения в микроволновом диапазоне увлажненных образцов: а) зависимость от температуры среды коэффициента отражения мощности микроволнового излучения от увлажненного силикагеля Acros в волноводе на частоте 12,4 ГГц при охлаждении; б) значение потерь пропускания мощности излучения (L) хвои группы сосновых деревьев на частоте 5, 3 ГГц при двухнедельных измерениях. Сплошной линией показаны данные при понижении температуры, штриховой при повышении
Fig. 3. Measurements in the microwave range of wetted samples: a) dependence of the reflection coefficient of the microwave radiation power on wetted Acros silica gel in a waveguide at a frequency of 12,4 GHz upon cooling; b) the value of the transmission power loss (L) of the needles of a group
5, 3
with decreasing temperature, the dashed line data with increasing temperature
За время измерений влажность веток и хвои сосен существенно не изменялась, так как влажность воздуха была низкой, и осадки отсутствовали. Относительная
масса хвои по направлению луча ~ 65 %; древесины веток - 35 %. Из графика па рис, 3б хорошо виден характерный гистерезиса потерь от температуры, причём при повышении температуры, когда большая часть воды должна быть в твёрдом состоянии и меньше поглощать электромагнитную энергию, наблюдается повышенное значение потерь.
Результаты оптических измерений поглощения излучения дня двух прозрачных подножек из слюды и кварцевого стекла представлены па рис, 4,
Процесс охлаждения в этих экспериментах характеризуется плавным повышением мощности проходяшего излучения, что, скорее всего, связано с постепенным вытеснением паров воды из камеры. При нагревании, как и ожидалось, наблюдалось понижение проходящей мощности при осаждении па подножке плёнки льда из паров при накоплении и избыточном давлении паров воды из-за разности температуры в центре и более тёплой периферии камеры.
Рис. 4■ Температурные зависимости мощности лазерного излучения (P), проходящего через пластинку с осаждённой на ней плёнкой льда: а) для слюдяной пластинки: б) для пластинки из кварцевого стекла. Сплошной линией показан процесс охлаждения,
штриховой нагревания
Fig. 4- Temperature dependences of the laser radiation power (P) passing through a plate with an ice film deposited on it: a) for a mica plate: b) for a plate of quartz glass. The solid line shows the cooling process, dashed heating process
Обсуждение результатов. При измерениях электрических шумов увлажнённых образцов дня силикатного материала SBA-15 обнаружен выраженный гистерезис амплитуды шумов с их возрастанием на участке роста температуры после предварительного охлаждения образца. По сравнению с областью температур, где осуществляли охлаждение материала, напряжение шумов возрастало в 1000 раз. Повышение флуктуаций наблюдали при температурах ниже -60 °С, то есть в этой области температур возникло сегнетоэ.нектрическое состояние воды в порах SBA-15, Амплитуда шума резко уменьшалась при нагревании выше -22 °С, Как известно, гистерезис электрических параметров сред соответствует сегнетоэлектрическому состоянию |11|,
График изменений tgö для увлажненного SBA-15 на частоте 120 Гц (рис, 26) показывает возрастание этой величины от значения температуры ~ -25 °С при охлаждении, При нагревании обнаружился гистерезис tgö с максимумом приблизительно
Я
при этой же температуре. Эти результаты также можно объяснить возникновением и
—25°
так как найденные в других экспериментах экстремумы Ьд5 не зависят от частоты.
Результаты микроволновых измерений увлажнённых нанопориетых силикатов показали существование особой температуры вблизи —20... — 22 °С, В этой области температур наблюдали резкое изменение графика коэффициента отражения по мощности излучения от границы «воздух - среда». Причём коэффициент отражения
—100°
зан с простым превращением воды в лёд ТЪ ил и /с, так как образование льда при температурах ниже —20 °С приводит к понижению е среды и уменьшению коэффи-
(^И 2 [211
Возможное объяснение наблюдаемого эффекта - образование при температурах —22 °
(е8) существенно превышает ту же величину для жидкой воды и льдов или 1с. Сегнетоэлектрики, контактируя с диэлектриками, образуют в области контакта тонкий, порядка нанометра слой, с весьма высокой электропроводностью [14; 15]. Хотя этот слой имеет толщину в несколько нанометров, однако, из-за большой площади поверхности пор силикагеля значение Де'' для частоты о коло 10 ГГц порядка 10, Это
Я 0.24
В эксперименте по изучению вариаций микроволнового поглощения в ветках сосны в условиях естественных суточных изменений температуры окружающего воздуха в зимний период времени показано возникновение температурного гистерезиса (рис, 36) при охлаждении до температур ниже —30... — 35 °С, Как уже говорилось ранее гистерезис электрических параметров соответствует сегнетоэлектрнческому состоянию, тем более, что при повышении температуры наблюдались повышенные потери, что возможно, если существует образование высоко проводящих слоёв на границе льда 0 и стенок пор в древесине сосны.
В измерениях прохождения излучения лазера через осаждённую плёнку льда наблюдалось наличие характерного минимумаа после начала конденсации льда на подложке из различных диэлектриков, обладающих различной степенью гидрофиль-ноети. Коэффициент пропускания в области температур —40... — 23 °С понижался до значений 0.1... 0.5, Этот процесс, как и предполагали, наблюдается на ветви нагревания при прекращении притока и оттока газообразного азота.
Объяснение такого эффекта связывается с возникновением поверхностных плаз-монов в трёхслойной среде с тонким слоем повышенной проводимости между двумя диэлектриками с шероховатыми поверхностями [5; 6], Их возникновение приводит к поглощению и рассеянию падающих излучений даже от слоёв нанометровой толщины [1].
Вывод о том, что в процессе конденсации образуется именно лёд 0, следует из
—23 °
тов пропадают аномалии их электрических исследуемых образцов, В этой области
температуры лёд 0 нестабилен и превращается в лёд Д, ил и /с, согласно проведённым исследованиям [17; 18; 22],
Выводы. Выполненные исследования электрических характеристик увлажнённых нанопориетых сред различными способами выявили аномалии их низкотемпературных электрических свойств, В случае нанопориетых силикатных материалов все аномалии проявились при температурах вблизи -20 ... — 24 °С, Исследуемые параметры, особенно тангенс угла диэлектрических потерь и собственные электрические флуктуации, на низких частотах показывали гистерезис значений при циклическом изменении температуры. Все эти особенности можно объяснить появлением в среде льда 0, обнаруженного при моделировании [18], В средах с более сложной структурой, например древесине сосны, аномалии электрических свойств наблюдали при
температуре--100 °С [2]. Установлен аномальный характер гистерезиса потерь,
при котором их значения оказались выше для участка нагревания веток сосны, чем для участка охлаждения при одинаковых температурах. Таким образом, образование сегнетоэлектрического льда 0 по полученным данным возможно в пористых средах в широком интервале температур от —20 до —100 °С,
Используемый способ циклического охлаждения — нагревания камеры при заполнении её холодными парами азота позволил получить плёнки льда 0 нанометро-вых толщин, выявленных при просвечивании подложек из диэлектрических матери-
0.52
зависимостей интенсивности прошедшего излучения следует, что конденсированный лёд является льдом 0, так как выше температуры —23 °С наблюдали восстановление пропускания интенсивности излучения в соответствии с теоретическими исследованиями, Коэффициент пропускания интенсивности излучения лазера уменьшается до 0. 1 . . . 0. 5
подложки, что подтверждается степенью их гидрофильное™. Этот эффект определяется тем, что на границе сегнетоэлектрического льда 0 с диэлектриком возникает высоко проводящий слой толщиной порядка нанометра. Поглощение и рассеяние в тонком слое связано с возникновением плазмонных колебаний и резонансных явлений.
Обнаруженная особенность может проявиться в стратосферных и мезоеферных облаках при резких понижениях температуры и осаждении паров воды в виде льда 0 на пылевых диэлектрических частицах.
Список литературы
1. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Орлов А. О. Пропускание электромагнитного излучения видимого диапазона тонким слоем льда 0, конденсированного на диэлектрическую подложку // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 111, № 5. С. 311-315.
2. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Орлов А. О., Цыренжапов С. В. Вариации микроволновых потерь в ветках сосны при отрицательных температурах // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15, № 5. С. 120-129.
3. Бордонский Г. С., Орлов А. О. Исследование сегнетоэлектрических фазовых переходов воды в нанопористых силикатах при совместных электрических шумовых и калориметрических измерениях // Физика твёрдого тела. 2014. Т. 56, вып. 8. С. 1575-1582.
4. Бордонский Г. С., Орлов А. О. Признаки возникновения льда «0» в увлажнённых нанопористых средах при электромагнитных измерениях // Письма в ЖЭТФ. 2017. Т. 105, № 7-8. С. 483-488.
5. Бореи К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.
6. Климов В. В. Наноплазмоника. М.: Физмалит, 2009. 480 с.
7. Barsoukov Е., Macdonald J. R. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. New York: Wiley, 2005. 608 p.
8. Castrillon S. R.-V., Giovambattista N., Arsav I. A., Debenedetti P. G. Evolution from surface-influenced to bulk-like dynamics in nanoscopicallv confined water // J. of Phvs. Chem. B. 2009. Vol. 113. P. 7973-7976.
9. Cervenv S., Mallamace F., Swenson J., Vogel M.. Xu L. Confined Water as Model of Supercooled Water // Chem. Rev. 2016. Vol. 116, Is. 13. P. 7608-7625.
10. Chaplin M. Ice phases. URL: http://wwwl.lsbu.ac.Uk/water/ice_phases.html#computer (дата обращения: 22.04.2020). Текст: электронный.
11. Colla Е. V., Chao L. К., Weissman M. B. Barkhausen noise in a relaxor ferroelectric // Physical Review Letters. 2002. Vol. 88, Is. 1. P. 17601-1/4.
12. Fukazawa H., Hoshikawa A., Ishii Y., Chakoumakos В. C., Fernandez-Baca J. A. Existence of Ferroelectric Ice in the Universe // The Astrophvsical Journal. 2006. Vol. 652. No. 1. P. L57-L60.
13. Jiang Q., Liang L.H., Zhao M. Modelling of the melting temperature of nano-ice in MCM-41 pores // J. of Physics: Condens. Matter. 2001. Vol. 13. № 20. P. L.397-L.401.
14. Korobevnikov S. M.. Drozhzhin A. P., Furin G. G., Charalambakos V. P., Agoris D. P. Surface conductivity in liquid-solid interface due to image force // Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference on Dielectric Liquids. ICDL. 2002. Vol. 2. P. 270-273.
15. Korobevnikov S. M.. Melekhov A. V., Soloveitchik Yu. G., Rovak M. E., Agoris D. P., Pvrgioti E. Surface conductivity at the interface between ceramics and transformer oil // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Vol. 38, Is. 6. P. 915-921.
16. Mishima O., Stanley H. E. The relationship between liquid, supercooled and glassy water // Nature. 1998. Vol. 396, Is. 6709. P. 329-335.
17. Quiglev D., Alfe D., Slater B. Communication: On the stability of ice 0, ice i, and Ih // The Journal of Chemical Physics. 2014. Vol. 141. P. 161102-1/5.
18. Russo J., Romano F., Tanaka H. New metastable form of ice and its role in the homogeneous crystallization of water // Nature materials. 2014. Vol. 13. P. 733-793.
19. Schreiber A., Kotelsen I., Findenegv G.H. Melting and freezing of water in ordered mesoporous silica materials // Phvs. Chem. Chem. Phvs. 2001. Vol. 3. P. 1185-1195.
20. Sellberg J. A., Huang C., McQueen T. A., Loh N. D., Laksmono H., Schlesinger D., Sierra R. G., Nordlund D., Hampton C. Y., Starodub D., Deponte D. P., Beve M.. Chen C., Martin A. V., Bartv A., Wikfeldt К. Т., Weiss Т. \L. Caronna C., Feldkamp J., Skinner L. В., Seibert M. M.. Messerschmidt M.. Williams G. J., Boutet S., Pettersson L. G. M.. Bogan M. J., Nilsson A. Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature // Nature. 2014. Vol. 510. No. 7505. P. 381-384.
21. Sharkov Е. A. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Berlin: Springer/PRAXIS, 2003. 613 p.
22. Slater В., Quiglev D. Crystal nucleation: Zeroing in on ice // Nature Materials. 2014. Vol. 13, No. 7. P. 670-671.
23. Solvevra E. G., Llave E., Scherlis D. A., Molinero V. Melting and Crystallization of Ice in Partially Filled Nanopores // J. Phvs. Chem. B. 2011. Vol. 115, Is. 48. P. 14196-14204.
24. Webber B. Studies of nano-structured liquids in confined geometries and at surfaces // Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 2010. Vol. 56, Is. 1. P. 78-93.
Статья поступила в редакцию 9.05.2020; принята к публикации 03.06.2020
Библиографическое описание статьи
Орлов А. О. Обнаружение льда 0 в различных искусственных и природных средах // Учёные записки Забайкальского государственного университета. 2020. Т. 15, № 43. С. 122133. DOI: 10.21209/2658-7114-2020-15-3-122-133.
Aleksey O. Orlov,
Candidate of Physics and Mathematics, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (16a, Nedorezova, Chita, 672014, Russia), e-mail: [email protected] ORCID: 0000-0003-2574-181X
Detection of Ice 0 in Various Synthetic and Natural Environments1
Studies of a new modification of crystalline ice - ice 0, which can be formed only from supercooled water, have been performed. To do this, experiments were conducted with various porous media, artificial and natural, containing water in the pores of nanometer sizes. The dielectric parameters of the media, as well as some of their electrical properties, were measured. These include reflection coefficients of the radiation of moistened silicates at a frequency of 12, 4 GHz and absorption in pine branches and needles at a frequency of 5,3 GHz, dielectric loss tangent of silicate sorbents at frequencies from hundreds of hertz to hundreds of kHz, intrinsic electrical fluctuations in a frequency band of 1 Hz... 100 Hz and transmitting visible electromagnetic radiation through samples of transparent dielectrics with a thin layer of ice on their surface. The temperature range for different experiments reached values from +20 to -170 °C. An increase in the intensity of absorbed (scattered) radiation at a wavelength of 0, 52 ^m was detected. Near the temperatures -20 ... — 24 °C, sharp changes were found in the parameters of moistened silicates and pine wood, which can be explained by the formation or destruction of ferroelectric ice 0. Two possible reasons for this behavior of the parameters during ice formation 0 are stated. This is the appearance of a highly conductive layer at the contact of ferroelectric ice with another dielectric, as well as the appearance of surface plasmons in this layer.
1This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project No. 20-05-00563 "Ice formation 0 in various natural environments and its effect on their dielectric properties".
Keywords: ice 0, supercooled water, remote sensing, ferroelectricitv, electromagnetic properties
Translit
1. Bordonskij G. S., Gurulev A. A., Orlov A. O. Propuskanie elektromagnitnogo izlucheniva vidimogo diapazona tonkim sloem l'da 0, kondensirovannogo na dielektricheskuvu podlozhku // Pis'ma v ZHETF. 2020. T. Ill, № 5. S. 311-315.
2. Bordonskij G. S., Gurulev A. A., Orlov A. O., Cvrenzhapov S. V. Variacii mikrovolnovvh poter' v vetkah sosnv pri otricatel'nyh temperaturah // Sovremennve problemv distancionnogo zondirovaniva Zemli iz kosmosa. 2018. T. 15, № 5. S. 120-129.
3. Bordonskij G. S., Orlov A. O. Issledovanie segnetoelektricheskih fazovvh perekhodov vodv v nanoporistvh silikatah pri sovmestnyh elektricheskih shumovvh i kalorimetricheskih izmerenivah // Fizika tvvordogo tela. 2014. T. 56, vvp. 8. S. 1575-1582.
4. Bordonskij G. S., Orlov A. O. Priznaki vozniknoveniva l'da «0» v uvlazhnyonnvh nanoporistvh sredah pri elektromagnitnvh izmerenivah // Pis'ma v ZHETF. 2017. T. 105, № 7-8. S. 483-488.
5. Boren K., Hafmen D. Pogloshchenie i rassevanie sveta malvmi chasticami. M.: Mir, 1986. 664 s.
6. Klimov V. V. Nanoplazmonika. M.: Fizmalit, 2009. 480 s.
7. Barsoukov E., Macdonald J. R. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. New York: Wiley, 2005. 608 p.
8. Castrillon S. R.-V., Giovambattista N., Arsav I. A., Debenedetti P. G. Evolution from surface-influenced to bulk-like dynamics in nanoscopicallv confined water // J. of Phvs. Chem. B. 2009. Vol. 113. P. 7973-7976.
9. Cervenv S., Mallamace F., Swenson J., Vogel M.. Xu L. Confined Water as Model of Supercooled Water // Chem. Rev. 2016. Vol. 116, Is. 13. P. 7608-7625.
10. Chaplin M. Ice phases. URL: http://wwwl.lsbu.ac.Uk/water/ice_phases.html#computer (data obrashcheniva: 22.04.2020). Tekst: elektronnvj.
11. Colla E. V., Chao L. K., Weissman M. B. Barkhausen noise in a relaxor ferroelectric // Physical Review Letters. 2002. Vol. 88, Is. 1. P. 17601-1/4.
12. Fukazawa H., Hoshikawa A., Ishii Y., Chakoumakos B. C., Fernandez-Baca J. A. Existence of Ferroelectric Ice in the Universe // The Astrophvsical Journal. 2006. Vol. 652. No. 1. P. L57-L60.
13. Jiang Q., Liang L.H., Zhao M. Modelling of the melting temperature of nano-ice in MCM-41 pores // J. of Physics: Condens. Matter. 2001. Vol. 13. № 20. P. L.397-L.401.
14. Korobevnikov S. M.. Drozhzhin A. P., Furin G. G., Charalambakos V. P., Agoris D. P. Surface conductivity in liquid-solid interface due to image force // Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference on Dielectric Liquids. ICDL. 2002. Vol. 2. P. 270-273.
15. Korobevnikov S. M.. Melekhov A. V., Soloveitchik Yu. G., Rovak M. E., Agoris D. P., Pvrgioti E. Surface conductivity at the interface between ceramics and transformer oil // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Vol. 38, Is. 6. P. 915-921.
16. Mishima O., Stanley H. E. The relationship between liquid, supercooled and glassy water // Nature. 1998. Vol. 396, Is. 6709. P. 329-335.
17. Quiglev D., Alfe D., Slater B. Communication: On the stability of ice 0, ice i, and Ih // The Journal of Chemical Physics. 2014. Vol. 141. P. 161102-1/5.
18. Russo J., Romano F., Tanaka H. New metastable form of ice and its role in the homogeneous crystallization of water // Nature materials. 2014. Vol. 13. P. 733-793.
19. Schreiber A., Kotelsen I., Findenegv G.H. Melting and freezing of water in ordered mesoporous silica materials // Phvs. Chem. Chem. Phvs. 2001. Vol. 3. P. 1185-1195.
20. Sellberg J. A., Huang C., McQueen T. A., Loh N. D., Laksmono H., Schlesinger D., Sierra R. G., Nordlund D., Hampton C. Y., Starodub D., Deponte D. P., Beve M.. Chen C., Martin A. V., Bartv A., Wikfeldt K. T., Weiss T. \L. Caronna C., Feldkamp J., Skinner L. B., Seibert M. M.. Messerschmidt M.. Williams G. J., Boutet S., Pettersson L. G. M.. Bogan M. J., Nilsson A. Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature // Nature. 2014. Vol. 510. No. 7505. P. 381-384.
21. Sharkov E. A. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Berlin: Springer/PRAXIS, 2003. 613 p.
22. Slater B., Quiglev D. Crystal nucleation: Zeroing in on ice // Nature Materials. 2014. Vol. 13, No. 7. P. 670-671.
23. Solvevra E. G., Llave E., Scherlis D. A., Molinero V. Melting and Crystallization of Ice in Partially Filled Nanopores // J. Phvs. Chem. B. 2011. Vol. 115, Is. 48. P. 14196-14204.
24. Webber B. Studies of nano-structured liquids in confined geometries and at surfaces // Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 2010. Vol. 56, Is. 1. P. 78-93.
Received: May 9, 2020; accepted for publication June 03,2020
Reference to article
Orlov A. O. Detection of Ice 0 in Various Synthetic and Natural Environments // Scholarly Notes of Transbaikal State University. 2020. Vol. 15, No. 3. PP. 122-133. DOI: 10.21209/26587114-2020-15-3-122-133.
