Att upptäcka ett sätt att utnyttja isomkristallisering kan möjliggöra tillverkning av högeffektiva material för en rad produkter, inklusive porösa elektroder för batterier och transparenta ledande filmer som används för att tillverka pekskärmar och bärbar elektronik.

Ett team av forskare från University of Nebraska-Lincoln och den kinesiska vetenskapsakademin publicerade fynd om dynamiken och manipulationen av isrekristallisation i numret den 2 maj av Naturkommunikation .

Is omkristallisation är en allestädes närvarande process i naturen. Det handlar om att odla stora iskristaller på bekostnad av små, vilket leder till en ökning av den genomsnittliga kristallstorleken och en minskning av det totala antalet kristaller.

En experimentell forskargrupp vid den kinesiska institutionen har haft ett nära samarbete med Xiao Cheng Zeng, Kanslerns universitet professor i kemi, och Nebraska materialforskare som undersöker egenskaperna hos vatten och is ur ett beräkningsperspektiv.

Den kinesiska gruppen använder nu omkristalliserad is som mall för att syntetisera två- och tredimensionella material med olika porstorlekar. Tillsammans med sina Nebraska-kollegor, teamet har lärt sig att joner, som är elektriskt laddade molekyler, kan användas för att tillverka nya två- och tredimensionella strukturer på en lång rad andra värdmaterial. Dessa tekniskt viktiga värdmaterial är lämpliga för organisk elektronik, katalys och bioteknik.

"Porstorleken på tvådimensionella och tredimensionella porösa material som produceras med vår metod kan enkelt justeras, som är avgörande för praktiska tillämpningar, " sa projektledaren Jianjun Wang, en professor vid Institute of Chemistry vid den kinesiska vetenskapsakademin.

"Det experimentella-teoretiska teamet låter oss lösa problemet på ett vackert sätt eftersom när vi förutsäger något, de kan testa det, " sa Zeng. "Då kan de återkoppla några av de nya experimentella data, så att vi kan ompröva vår modellstrategi."

Wangs jonspecifika omkristalliseringsforskning härrör från hans grupps cellkryokonserveringsprojekt. En viktig orsak till celldöd under kryokonservering är att stora iskristaller växer på bekostnad av små under omkristallisering.

Under ett experiment, en av Wangs elever upptäckte en slående effekt av en slump. Tillsats av natriumklorid eller fosfatbuffert saltlösning gav en djupgående men tidigare outforskad effekt på storleken på omkristalliserad is.

I ytterligare experiment, Wangs team frös snabbt rent vatten och tre saltlösningar, låt dem sedan svalna vid högre temperaturer. De fann att joner av natriumfluor producerade de minsta iskristallerna. Natriumbrom producerade större kristaller. De med natriumjod producerade de största kristallerna, som överträffade även de som producerades av rent vatten.

Nebraska-teamet genomförde simuleringar av molekylär dynamik vid Holland Computing Center och Nebraska Cluster for Computational Chemistry för att bättre förstå hur fluor, jod- och bromjoner påverkar isomkristallisation.

"Vad vi finner är att fluor inte fastnar inne i isen, medan jod tillåter det att hända, och i viss mån brom tillåter också att det händer, " sa Zeng. "Du kan använda joner för att kontrollera isen."

Forskarna fann att de kunde justera iskornstorleken från cirka 27 mikron – ungefär hälften så stor som ett människohår – till 277 mikron.