Asi každý z nás to už zažil. Zapomenete lahev s vodou v mrazáku a druhý den vás čeká jen změť střepů a zmrzlého nepořádku. Běžné vysvětlení zní, že voda při zmrznutí zvětší svůj objem a sklo tlakem praskne.
Výzkum z Univerzity v Amsterdamu ale ukázal, že za většinu těchto nehod může jiný faktor: uzavřená kapsa kapaliny uvnitř ledu. Když poté zmrzne, vytvoří extrémní tlak, který sklo neudrží a rozpadne se.
Dynamiku mrznutí odhalilo speciální barvivo
Vědci použili důmyslnou metodu. Do vody přidali modré barvivo, které při chladnutí mění barvu, až se stane zcela průhledné. Díky tomu mohli přesně sledovat postupný pokles teploty.
Ukázalo se, že led se nejprve vytvoří na vnější části. Nejčastěji jako první zamrzne tenká vrstva na horním okraji v místě, kde se voda dotýká stěny lahve. Tím se vytvoří ledový „poklop“, který brání vodě v úniku.
Proces zmrazení 4 ml vody
Mrznutí pak pokračuje směrem ke středu lahve, obklopí zbylou kapalinu ze všech stran a uvězní ji. Když pak nakonec zmrzne i tato kapsa, její objem se zvětší, ale nemá kam uniknout. Tlak dosahuje až 260 MPa, což je dost na to, aby prorazil i odolné sklo.
Prasknout mohou i lahve naplněné jen z poloviny
Tlak není přímo závislý na velikosti uvězněné vody, ale na vlastnostech obklopujícího ledu a pevnosti nádoby. Proto mohou prasknout i lahve naplněné jen z poloviny. Autoři výzkumu také zjistili, že ty s menším průměrem praskají méně často.
Důvodem je skutečnost, že chladnou rychleji a často se v nich objeví tzv. přechlazená voda – tedy kapalina, která zůstává tekutá i pod bodem mrazu. Když pak konečně zmrzne, vytvoří se uvnitř ledu drobné vzduchové bublinky, které fungují jako tlumič.
Dalším důležitým faktorem je smáčivost povrchu nádoby. V běžných skleněných lahvích se voda na okrajích mírně zvedá, a právě tento tvar podporuje vznik uzavřených kapes. Pokud ale povrch upravíme tak, aby odpuzoval vodu (např. hydrofobní vrstvou), hladina zůstane rovná a led začne vznikat ode dna. Voda pak může při mrznutí unikat nahoru.
Plastová nádoba vydrží více než sklo
Tyto poznatky lze prakticky využít nejen v našich kuchyních. Stejné principy totiž způsobují poškození silnic, budov a historických památek mrazem. Pochopení mechanismu vzniku ledu a poškození materiálů může pomoci inženýrům navrhovat odolnější konstrukce pro chladné podnebí a konzervátorům lépe chránit cenné artefakty.
Co z toho plyne pro nás – běžné uživatele mrazáků? Chceme-li se vyhnout nepříjemnostem s prasklými lahvemi, měli bychom volit menší nádoby s povrchy odpuzujícími vodu. Vhodné jsou například PET lahve od limonád nebo tvrdé plastové lahve. Lahve vyrobené z plastu bývají pružnější a přirozeně hydrofobní, což snižuje riziko vzniku uzavřených kapes kapaliny a následného prasknutí.