Micro-thermography for imaging ice crystal growth and nucleation inside non-transparent materials

材料科学 成核 热成像 晶体生长 冰晶 Crystal(编程语言) 光学 红外线的 结晶学 热力学 化学 物理 程序设计语言 计算机科学
作者
Martín Zalazar,Fredy R. Zypman,Ran Drori
出处
期刊:Review of Scientific Instruments [American Institute of Physics]
卷期号:94 (5) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0142245
摘要

Ice crystal growth and nucleation rate measurements are usually done using light microscopy in liquid and transparent samples. Yet, the understanding of important practical problems depends on monitoring ice growth inside solid materials, for example how rapid ice growth leads to structural damage of food, or how the final structure of cementitious materials is affected by ice during curing. Imaging crystal growth inside solid materials cannot be done with visible light and is intrinsically more challenging than visible light imaging. Thermography is a technique that uses thermal (infrared) cameras to monitor temperature changes in a material, and it has been used to provide a qualitative description of ice propagation with a low spatial resolution. Here, we describe a method that uses a novel micro-thermography system to image ice nucleation and growth inside non-transparent samples. This method relies on two major components: a cold stage with accurate temperature control (±0.001 °C) and a thermal camera with high spatial and temperature resolution. Our experiments include imaging of ice formation and growth in pure water first and then inside plant leaves used as a model for a non-transparent material. An ice growth rate of 2.2 mm/s was measured inside a plant leaf at −12 °C, and ice nucleation in single plant cells was observed as a hotspot having a diameter of 160 µm. The results presented here provide an experimental proof that high-quality imaging of ice growth is achievable, thus paving the way for quantitative measurements of ice growth kinetics and ice nucleation in solid materials.
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