I molnens hjärta finns iskristaller. Och i hjärtat av iskristaller, ofta, är aerosolpartiklar - damm i atmosfären som is lättare kan bildas på än i det fria.

Det är lite mystiskt hur det här går till, fastän, eftersom iskristaller är ordnade strukturer av molekyler, medan aerosoler ofta är oorganiserade bitar. Ny forskning av Valeria Molinero, framstående professor i kemi, och Atanu K. Metya, nu vid Indian Institute of Technology Patna, visar hur kristaller av organiska molekyler, en vanlig komponent i aerosoler, kan få jobbet gjort.

Historien är mer än så, men – det är en återgång till molnsåddforskning från kalla krigets tid och en undersökning av en märklig minneseffekt som ser att is bildas lättare på dessa kristaller andra gången.

Forskningen, finansierat av Air Force Office of Scientific Research, publiceras i Journal of the American Chemical Society .

Throwback till molnsådd

Molineros forskning fokuserar på hur is bildas, särskilt kärnbildningsprocessen, vilket är början på iskristallbildning. Under rätt förutsättningar, vattenmolekyler kan bilda is på egen hand. Men ofta något annat material, kallas kärnämne, kan hjälpa processen vidare.

Efter flera studier om hur proteiner kan hjälpa till att bilda is, Molinero och Metya riktade sin uppmärksamhet mot organiska iskärnor (som de används här, "organisk" betyder organiska föreningar som innehåller kol) eftersom de liknar de isproducerande proteinerna och finns i luftburna aerosoler.

Men en genomgång av den vetenskapliga litteraturen fann att artiklarna som diskuterade iskärnbildning av organiska föreningar kom från 1950- och 1960-talen, med väldigt lite uppföljningsarbete efter det tills helt nyligen.

"Det gjorde mig väldigt nyfiken, " säger Molinero, "eftersom det finns ett stort intresse nu för organiska aerosoler och om och hur de främjar isbildning i moln, men all denna nya litteratur verkade dissocierad från dessa tidiga grundläggande studier av organiska iskärnor."

Ytterligare forskning visade att det tidiga arbetet med organiska iskärnor var relaterat till studiet av molnsådd, en efterkrigslinje av forskning om hur partiklar (främst silverjodid) kunde införas i atmosfären för att uppmuntra molnbildning och nederbörd. Forskare undersökte egenskaperna hos organiska föreningar som iskärnor för att se om de kan vara kostnadseffektiva alternativ till silverjodid.

Men forskning om molnsådd kollapsade på 1970-talet efter politiska påtryckningar och rädsla för väderförändringar ledde till ett förbud mot krigföring. Finansiering och intresse för organiska iskärnor torkade tills nyligen, när klimatforskningen väckte ett förnyat intresse för isbildningens kemi i atmosfären.

"Det har funnits ett växande intresse för iskärnbildning med organiska aerosoler under de senaste åren, men ingen koppling till dessa gamla studier om organiska kristaller, " säger Molinero. "Så, Jag tyckte att det var dags att "rädda" dem in i den moderna litteraturen.

Blir helt klassiskt

Phloroglucinol är ett av de organiska kärnämnen som studerades i mitten av 20-talet ^th århundrade. Det visade lovande för att kontrollera dimman, men mindre för molnsådd. Molinero och Metya återbesökte phloroglucinol eftersom det visade sig vara potent vid iskärnbildning i labbet.

En fråga att besvara är om floroglucinol bildar is genom klassiska eller icke-klassiska processer. När is bildas av sig själv, utan några ytor eller andra molekyler, det enda hindret att övervinna är att bilda en stabil kristallit av is (endast cirka 500 molekyler i storlek under vissa förhållanden) som andra molekyler kan bygga på för att växa en iskristall. Det är klassisk kärnbildning.

Icke-klassisk kärnbildning, involverar en kärnämnesyta, uppstår när ett lager av vattenmolekyler samlas på ytan där andra vattenmolekyler kan organisera sig till ett kristallgitter. Hindret att övervinna i icke-klassisk kärnbildning är bildandet av monoskiktet.

Vad gäller för floroglucinol? På 1960 -talet, forskaren L.F. Evans drog slutsatsen att den var icke-klassisk. "Jag är fortfarande förvånad över att han kunde härleda förekomsten av ett monoskikt och dra slutsatsen att mekanismen var icke-klassisk från frysningsexperiment som en funktion av temperaturen ensam!" säger Molinero. Men Molinero och Metya, använda molekylära simuleringar av hur is bildas, fann att det är mer komplicerat.

"Vi finner att steget som verkligen avgör om vatten omvandlas till is eller inte är inte bildandet av monoskiktet utan tillväxten av en iskristallit på toppen, " säger Molinero. "Det gör isbildning av organiska ämnen klassisk men inte mindre fascinerande."

Håller fast vid minnen av is

Forskarna använde också sina simuleringsmetoder för att undersöka en intressant minneseffekt som tidigare observerats med organiska och andra kärnämnen. När is bildas, smälte och bildades igen med hjälp av dessa kärnämnen, den andra omgången av kristallisering är mer effektiv än den första. Det antas att isen smälter helt mellan kristallisationer, och forskare har presenterat flera potentiella förklaringar.

Molinero och Metya fann att minneseffekten inte beror på att isen förändrar kärnbildningsytan, inte heller till monoskiktet av vatten som kvarstår på kärnbildningsytan efter smältning. Istället, deras simuleringar stödde en förklaring där sprickor i kärnmaterialet kan hålla på små ismängder som smälter vid högre temperaturer än resten av isen i experimentet. Om dessa sprickor ligger intill en av kärnkristallytorna som är bra på att bilda is, sedan bär det av till tävlingarna när andra frysomgången börjar.

Något i luften

Andra mysterier kvarstår fortfarande - mitten av århundradets studier av organiska kristaller fann att vid höga tryck, cirka 1500 gånger atmosfärstrycket, att kristallerna är lika effektiva på att organisera vattenmolekyler till is som en iskristall själv. Varför? Det är fokus för Molineros nästa experiment.

Mer omedelbart, fastän, floroglucinol är en naturligt förekommande förening i atmosfären, så allt som forskare kan lära sig om det och andra organiska kärnämnen kan hjälpa till att förklara aerosolers förmåga att kärnbilda is och reglera bildandet av moln och nederbörd.

"Det skulle vara viktigt att undersöka om små kristalliter av dessa kristallina iskärnor är ansvariga för den förbryllande förmågan att bilda iskärnor hos annars amorfa organiska aerosoler, säger Molinero.