İng. Ice Crystallization

Kristalizasyon, bir sıvının, çözeltinin veya gazın, düzenli bir iç molekül, iyon veya atom düzenine sahip katı bir yapıya fiziksel dönüşümü yani faz geçişidir.¹ Bir madde kristalleşmeye maruz kaldığında, atomları veya molekülleri iyi tanımlanmış açılarla birbirine bağlanır ve sistemin toplam enerjisi daha aza iner.²

Buz kristalizasyonu, su molekülünün (H₂O) uygun termodinamik koşullar altında (sıcaklık, basınç, konsantrasyon, aktivite gibi) katı faza geçmesidir. Oluşan buz kristalinin yapısı, şekli ve tanecik sayısı kristalizasyon şartları ve kinetiğine bağlıdır (bkz. Buz kristali, yapı ve şekilleri).

Buz kristalizasyonunda su başlangıçta tamamen berraktır ve ortamda herhangi bir katı yüzey mevcut değildir. Artan aşırı doygunlukla birlikte çözelti içerisindeki moleküllerin çarpışma sıklıkları giderek artar. Bu çarpışmalar sırasında daha büyük kümeler oluşur. Oluşan bu kümelerin belirli bir çaptan küçük olanları çözünürken daha büyük olanlar gerekli enerji seviyesini aşarak büyümeye devam ederler. Nükleasyonun (çekirdekleşmenin) yani ilk katı parçacıkların başlaması belirli bir boyutu aşan (kritik nüklei çapı) kümelerden kaynaklanır. Pratikte bu şekilde bir süreç zordur ancak yüksek aşırı doygunluk değerlerine ulaşılması bu ihtimali artırır.

Su moleküllerinin nükleasyonu için suyun süper doygunluğu ulaşması gerekir. Buz kristalizasyonunda süper doygunluk, genellikle aşırı soğutma ile sağlanır. Şekil 1’de suya ait sıcaklık ve basınç değişkenleri için faz diyagramı sunulmaktadır.³ Buzun günümüzde bilinen 19 adet kristal fazı⁴ ve de farklı yoğunluklarda pek çok amorf katı formu vardır.

Şekil 1’de gösterilen I_h, buzun en çok bilinen altıgen (hegzogonal) kristal fazı yapısıdır (Şekil 2). Bu faz yaklaşık -200ºC ve 200 MPa basınca kadar kararlıdır. Daha farklı sıcaklık ve basınçlarda buz, ayrı faz yapıları şeklide kristallenmektedir. Bu yapılar özellikle basınç altında kalan ve akma hareketi yapan buzullar ve gök cisimlerindeki su araştırma çalışmaları için önemlidir.