Water zet uit als het bevriest, dus wetenschappers vroegen zich af wat er zou gebeuren als water van buiten naar binnen bevroren zou worden. Antwoord: Het explodeert.
De onderzoekers filmden hun experiment met waterdruppels en gaven een slow-motion beeld van het exploderende ijs. Wanneer een druppel water van buitenaf wordt ingevroren, ontstaat er volgens de onderzoekers een stijve ijsschaal. Als de binnenkant van de druppel begint te bevriezen, wordt de uitzetting beperkt door de harde buitenkant, wat leidt tot de explosie.
De bolvormige druppels zijn gemaakt in een vacuümkamer zodat de onderzoekers de druppel konden 'onderkoelen', waardoor het water onder de 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius) kwam zonder het te bevriezen. Vervolgens raakten de onderzoekers de druppel aan met zilverjodide, dat fungeert als een "zaadje" voor de vorming van ijskristallen. In dit geval begon het onderkoelde water te kristalliseren, waardoor de buitenkant van de druppel bevroor. Een ijsschaal vormde zich rond de druppel, verdikte van buiten naar binnen en bouwde druk op in de druppel terwijl het interieur probeerde te bevriezen. In de video is de druppel dan licht te zien kraken en wat ijsvlokken loslaten, voordat hij uiteindelijk explodeert.
'De scheuren en holtes worden langzaam genezen door vloeibaar water dat van binnenuit naar buiten wordt geduwd', legden de onderzoekers uit in de video. 'Zodra alle scheuren zijn genezen, kan de druk weer toenemen.'
Op basis van de explosies van verschillende druppels ontwikkelde de onderzoeker een wiskundig model om te voorspellen hoe de druppels zouden reageren als ze van buiten naar binnen worden ingevroren. Ze ontdekten dat er een minimale druppelgrootte is - onder een diameter van ongeveer 50 micron - waarbij de druppel zal niet ontploffen.
Dit is hetzelfde fenomeen dat zich in wolken voordoet, aldus de onderzoekers. Neerslag treedt op wanneer waterdruppels exploderen in de koude toppen van wolken, waardoor vloeibare druppels veranderen in ijs.
Details van de dynamiek van de waterdruppels wanneer bevroren, werden online gepubliceerd op 24 februari in het tijdschrift Physical Review Letters.
