Hur bildas is? Förvånande, vetenskapen har inte helt svarat på den frågan. Skillnader i isbildning på olika ytor är fortfarande inte väl förstådda, men forskare idag kommer att förklara deras upptäckt att de arrangemang som ytatomer lägger på vattenmolekyler är nyckeln. Arbetet har konsekvenser för att förhindra isbildning där det inte är önskvärt (vindrutor, kraftledningar) och för att främja isbildning där den är (bevarande av mat eller organ). Resultaten kan också bidra till att förbättra väderprognosen.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"Vi upptäckte att om vi tittar på den flytande vattenstrukturen där den kommer i kontakt med ytan, vi kan börja förstå och förutsäga om en given yta kommer att främja eller hämma isbildning, säger Sapna Sarupria, Ph.D., projektets huvudutredare. "Vi arbetar med samarbetspartners för att använda denna information för att bättre förstå isens roll i väder och för att designa ytor som är bra eller dåliga för isbildning. Skulle det inte vara bra att ha en vindruta som inte låter isen fastna till det på vintern?"

Saruprias team använder datorer för att studera molekylära simuleringar av ytor och isbildning. Till skillnad från den stökigare verkliga världen, denna kontrollerade inställning ger henne möjligheten att undersöka effekten av en förändring av bara en ytparameter – eller till och med bara en atom – åt gången. Forskarna korrelerar sedan resultaten med resultaten från experimentalister som arbetar med verkliga material, inklusive silverjodid eller mineraler såsom glimmer och kaolinit. Silverjodid är så effektiv för att främja isbildning att den används för molnsådd för att stimulera nederbörd under torka.

Isbildning, eller kärnbildning, uppstår när flytande vatten genomgår en fasövergång till fast vatten. Vatten kan även genomgå andra fasövergångar, som att byta från is tillbaka till en vätska, eller att ånga. Om dessa övergångar sker i moln, de kan bilda regndroppar och snö. "När du vill förutsäga vädret, du behöver veta hur dessa fasövergångar sker, och det är i grunden en öppen fråga, säger Sarupria, som är vid Clemson University. Ofta sker dessa förändringar i närvaro av partiklar som mineraldamm i atmosfären. Typen och mängden damm avgör vilken typ av nederbörd som sker. "Vi försöker förstå hur olika dammpartikelytor påverkar övergången av vatten från den flytande till den fasta fasen i moln, " hon säger.

gamla goda H ₂ O är just det:ett syre bundet till två väten. Dessa väten attraheras till vissa ytor mer än andra, och det påverkar hur vattenmolekyler orienterar sig på en yta. Deras arrangemang med avseende på ytatomer på dammpartiklar och i förhållande till andra vattenmolekyler är faktiskt den viktigaste faktorn vid isbildning, Saruprias team upptäckte. Detta fynd förklarar också varför silverjodid är en så bra kärnbildare. Först, dess ytatomer är utlagda på ett sätt som liknar arrangemanget av vattenmolekyler i is, så det är en effektiv mall. Andra, den positiva laddningen av silverjonen och den negativa laddningen av joden orienterar väten och syre i flytande vatten på rätt sätt för att det ska bilda en isstruktur. "Avståndet mellan atomerna, och detta arrangemang av avgifter, är mycket viktiga för att silverjodid ska vara en kärnbildare, " säger Sarupria.

Forskarna samarbetar nu med experimentalister som studerar atmosfäriska fenomen för att hjälpa dem att förklara sina resultat. "Om vi ​​kan modellera dessa fenomen, vi kanske bättre kan förstå isens roll i vädret, " förklarar hon.

Sarupria tillämpar också sin förståelse av vattenstruktur för att designa ytor som kan främja eller hämma isbildning. Till exempel, för att förhindra skador under matförvaring eller nedfrysning av organ, någon i framtiden skulle kunna använda den nya kunskapen för att bilda is vid temperaturer närmare 32 F, vattnets fryspunkt, snarare än vid lägre temperaturer. Detta kan göras genom att modifiera ytan på förpackningen eller lägga till molekyler till lösningen för kryokonservering. "I andra fall, såsom vindrutor och kraftledningar, du kanske inte vill att is ska bildas, " säger Sarupria. "Så vi försöker komma på hur man gör beläggningar eller ytor som inte låter is bildas, eller om det bildas, som inte låter det fastna." Hennes team försöker också förstå hur naturliga frostskyddsproteiner hjälper fiskar och andra organismer att överleva under kyliga förhållanden. "I slutändan, oavsett om det är dessa proteiner eller dammpartiklar, allt handlar om hur de påverkar vattenstrukturen, " säger hon. "Vi vill använda denna information för att skapa en parameter som kan hjälpa oss att snabbt screena ytor för deras iskärnbildningsförmåga."