Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert, und Wissenschaftler fragten sich, was passieren würde, wenn Wasser von außen nach innen gefroren würde. Antwort: Es explodiert.
Die Forscher filmten ihr Wassertropfenexperiment und boten eine Zeitlupenansicht des explodierenden Eises. Wenn ein Wassertropfen von außen gefroren wird, bildet sich laut den Forschern eine starre Eisschale. Wenn das Innere des Tropfens zu gefrieren beginnt, wird seine Ausdehnung durch das harte Äußere begrenzt, was zur Explosion führt.
Die kugelförmigen Tropfen wurden in einer Vakuumkammer erzeugt, damit die Forscher das Tröpfchen "unterkühlen" konnten, wodurch das Wasser auf unter 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit) gebracht wurde, ohne es einzufrieren. Dann berührten die Forscher das Tröpfchen mit Silberiodid, das als "Keim" für die Bildung von Eiskristallen dient. In diesem Fall begann das unterkühlte Wasser zu kristallisieren und die Außenseite des Tröpfchens einzufrieren. Um das Tröpfchen herum bildete sich eine Eisschale, die sich von außen nach innen verdickte und Druck innerhalb des Tröpfchens aufbaute, als das Innere zu frieren versuchte. Im Video ist das Tröpfchen dann leicht zu knacken und einige Eisflocken freizusetzen, bevor es schließlich explodiert.
"Die Risse und Hohlräume werden langsam durch flüssiges Wasser geheilt, das von innen herausgedrückt wird", erklärten die Forscher im Video. "Sobald alle Risse geheilt sind, kann sich wieder Druck aufbauen."
Basierend auf den Explosionen verschiedener Tröpfchen entwickelte der Forscher ein mathematisches Modell, um vorherzusagen, wie die Tröpfchen auf das Einfrieren von außen nach innen reagieren würden. Sie fanden heraus, dass es eine minimale Tröpfchengröße - unter einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern - gibt, bei der sich das Tröpfchen befindet wird nicht explodieren.
Dies ist das gleiche Phänomen, das in Wolken auftritt, sagten die Forscher. Niederschlag tritt auf, wenn Wassertropfen in den kalten Wolkendecken explodieren und Flüssigkeitströpfchen in Eis umwandeln.
Details zur Dynamik der Wassertropfen beim Einfrieren wurden online am 24. Februar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
