Vissa molekyler binder tätt till isytan, skapa ett krökt gränssnitt som kan stoppa ytterligare istillväxt. Vissa insekter, växter, och havslevande varelser innehåller proteinmolekyler av denna typ som fungerar som naturliga frostskyddsmedel, så att organismerna tål minusgrader.

I Journal of Chemical Physics , forskare rapporterar en beräkningsmetod för att modellera isbindning med hjälp av en förspänningsteknik för att driva isbildning i simuleringen.

Frostskyddsproteiner verkar genom att binda till ett befintligt gränssnitt mellan is och flytande vatten. Den resulterande krökta ytan stoppar istillväxten. Det finns också iskärnbildande molekyler som katalyserar bildandet av is från underkylt flytande vatten.

Båda fenomenen kräver en förståelse för hur molekyler binder till is. Att förstå isbindning är viktigt för så olika tillämpningar som kryokonservering av organ och klimatmodellering, men inga beräkningsmetoder för att effektivt modellera detta fenomen har funnits hittills.

"Den centrala fördelen med simuleringsmetoden för isförspänning är att den samtidigt identifierar den isbindande ytan, isytan den binder till, och sättet att binda, " sa författaren Valeria Molinero.

Utredarna skapade två typer av modeller. En typ är en all-atom-modell som innehåller alla atomer i vätske- och isfaserna av vatten samt i frostskydds-molekylen. Den andra typen av modell som studeras kallas en grovkornig modell, vilket sparar beräkningsresurser genom att blanda samman atomer till enklare strukturer.

Studien tittade på ett antal molekyler som binder is, inklusive polyvinylalkohol, en syntetisk is-omkristallisationshämmare, liksom naturliga frostskydds -proteiner, som en från skalbaggen Tenebrio molitor. Proteiner utgör en simuleringsutmaning, eftersom de har väldigt små ytor som binder is. Detta begränsar storleken på iskristallen de kan binda.

Vissa system har mer än en plats där is kan binda. Detta är fallet för det naturliga frostskyddsproteinet i havsis-kiselalgen Frailariopsis cylindrus. För att avgöra om ett protein som detta har mer än en isbindande yta, IBS, utredarna utvecklade en metod som de kallade "cap and repeat".

"I denna strategi, vi utförde först en partisk simulering för att detektera en IBS. Sedan, vi täcker den IBS för att förhindra isbildning på den och utför en andra förspänningssimulering för att ta reda på om is bildas på andra platser, sa Molinero.

De metoder som utvecklats i denna studie visar mycket lovande för ett antal tillämpningar, inklusive att hitta molekyler för att skydda frysta vävnader under lagring, främja förståelsen av naturliga frostskyddsproteiner, och i klimatmodeller, där isbildning i atmosfären spelar en nyckelroll.