Is är allestädes närvarande och påverkar vårt dagliga liv starkt, påverkar områden som klimatförändringar, transport, och energiförbrukning. Att förstå processen för isbildning kan bromsa den hastighet med vilken glaciärer smälter och havsnivån stiger och lindrar andra stora miljöhänsyn.

Eftersom isbildning huvudsakligen styrs av iskärnbildning följt av tillväxten av kärnorna, forskare har ansträngt sig för att förstå termodynamiken och kinetiken bakom kärnprocesserna. Iskärnbildning kan ske på två distinkta sätt:homogent i bulkvatten eller heterogent på ytan av ett fast material, där heterogen iskärnbildning (HIN) är det dominerande sättet för isbildning på jorden. Dock, till skillnad från homogen iskärnbildning, vatten-yta-interaktioner som finns i HIN gör kärnbildningsprocessen känslig för ytegenskaper. Att förstå hur ytor påverkar kärnbildningsprocessen är ett lovande tillvägagångssätt för att bättre förutsäga och kontrollera kristallisationsprocesser.

En vanlig modell som används för att kvantifiera kärnbildningskinetik baserad på en termodynamisk ram, klassisk kärnbildningsteori (CNT), föreslår att vattenmolekyler måste bilda en iskärna av kritisk storlek innan en kristalliseringsprocess inträffar. Bildandet av den kritiska iskärnan är associerad med en enda fri energibarriär, som måste övervinnas för att utlösa ytterligare istillväxt. Dock, över åren, både experiment och simuleringar har avslöjat att CNT ofta är otillräckligt för att beskriva några komplexa kärnbildningsprocesser. Följaktligen, CNT har varit föremål för enorm debatt, och icke-klassiska kärnbildningsteorier har alternativt föreslagits.

Annorlunda än CNT, som bygger på att övervinna en enda fri energibarriär, icke-klassiska kärnbildningsteorier tyder på att kärnbildningsprocesser består av två eller flera steg åtskilda av flera fria energibarriärer. Även om icke-klassiska kärnbildningsteorier kan vara en mer hållbar modell, de atomistiska mekanismerna och strukturella utvecklingen under kärnbildning i icke-klassiska kärnbildningsvägar är inte väl kända; och är fortfarande en utmaning för experimentella tekniker att riva upp.

Nu, för första gången, en grupp forskare vid HKUST under ledning av prof. Xuhui Huang från kemiska institutionen kombinerade Markov State Models (MSM)-som modellerar dynamik för kemiska molekyler i lång tid-och övergångsvägsteori (TPT)-som beskriver reaktionsvägen för sällsynta händelser - för att belysa ensemblevägarna för HIN. MSM identifierar mellanliggande tillstånd av störda isblandningar och jämför parallella vägar (klassisk kontra icke-klassisk). Denna fördel hjälpte till att reda ut de underliggande mekanismerna för icke-klassiska kärnbildningsprocesser och samexistensen mellan de två vägarna.

Dessa forskare visar att den störda isblandningen av is stabiliserar den kritiska kärnan och gör den icke-klassiska kärnbildningsvägen lika tillgänglig som den klassiska vägen, vars kritiska kärna huvudsakligen består av potentiell energi-gynnad is. De upptäckte också att vid förhöjda temperaturer, kärnbildningsprocessen föredrar att fortsätta via den klassiska vägen eftersom de potentiella energibidragen, som gynnar den klassiska vägen, segra.

"Vårt arbete avslöjar inte bara mekanismerna för icke-klassiska kärnbildningsprocesser, men det visar också hur kombinationen av MSM och TPT erbjuder en kraftfull ram för att studera strukturella utvecklingar av iskärnprocesser, "sade professor Huang." Ännu viktigare, denna metod kan utvidgas till andra kristallkärnprocesser som är utmanande att studera, som kommer att öppna nya dörrar för forskare som försöker förutsäga och kontrollera kristallisationsprocesser. "

Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation . Den första författaren till detta arbete:Dr. Chu Li är en sedan länge HKUST-affiliate som avslutade sin doktorsexamen, och bedriver för närvarande sin postdoktorala utbildning vid HKUST.