Från abstrakta molnformationer till dån från snömaskiner på skidbackar, förvandlingen av flytande vatten till fast is berör många aspekter av livet. Vattnets fryspunkt är allmänt accepterad att vara 32 grader Fahrenheit. Men det beror på iskärnbildning - föroreningar i vardagsvatten höjer sin fryspunkt till denna temperatur. Nu avslöjar forskare en teoretisk modell som visar hur specifika strukturella detaljer på ytor kan påverka vattnets fryspunkt.
Forskarna kommer att presentera sina resultat på vårmötet i American Chemical Society (ACS).
"Iskärnbildning är ett av de vanligaste fenomenen i atmosfären", säger Valeria Molinero, professor i fysikalisk kemi och materialkemi. "På 1950- och 1960-talen ökade intresset för iskärnbildning för att kontrollera vädret genom molnsådd och för andra militära mål. Vissa studier tog upp hur små former främjar iskärnbildning, men teorin var outvecklad, och ingen har gjort något kvantitativ."
När temperaturen sjunker förlorar molekylerna i flytande vatten, som normalt rusar runt och glider förbi varandra, energi och saktar ner. När de tappar tillräckligt med energi stannar de, orienterar sig för att undvika repulsioner och maximera attraktionerna och vibrerar på plats och bildar det kristallina nätverk av vattenmolekyler som vi kallar is.
När flytande vatten är helt rent, kan det hända att is inte bildas förrän temperaturen kommer ner till kyliga –51 grader Fahrenheit; detta kallas underkylning. Men när även de minsta föroreningarna – sot, bakterier eller till och med vissa proteiner – finns i vatten, kan iskristaller lättare bildas på ytorna, vilket resulterar i isbildning vid temperaturer som är varmare än –51 grader Fahrenheit.
Årtionden av forskning har avslöjat trender i hur olika ytors former och strukturer påverkar vattnets fryspunkt. I en tidigare studie om iskärnbildande proteiner i bakterier fann Molinero och hennes team att avstånden mellan grupperna av proteiner kan påverka temperaturen vid vilken is bildas.
"Det fanns avstånd som var mycket gynnsamma för isbildning och avstånd som var helt motsatta", säger Molinero.
Liknande trender hade observerats för andra ytor, men ingen matematisk förklaring hade hittats.
"Folk tidigare hade redan en känsla av "Åh, kanske en yta kommer att hämma eller främja isbildning", men inget sätt att förklara eller förutsäga vad de observerade experimentellt", säger Yuqing Qiu, postdoc, som presenterar arbetet vid mötet . Både Qiu och Molinero utförde denna forskning vid University of Utah, även om Qiu nu arbetar vid University of Chicago.
För att komma till rätta med detta gap samlade Molinero, Qiu och teamet hundratals tidigare rapporterade mätningar om hur vinklarna mellan mikroskopiska gupp på en yta påverkade vattnets frystemperatur. De testade sedan teoretiska modeller mot datan. De använde modellerna för att överväga faktorer som skulle uppmuntra iskristallbildning, till exempel hur starkt vatten binder till ytorna och vinklar mellan strukturella egenskaper.
Till slut identifierade de ett matematiskt uttryck som visar att vissa vinklar mellan ytegenskaper gör det lättare för vattenmolekyler att samlas och kristallisera vid relativt varmare temperaturer. De säger att deras modell kan hjälpa till att designa material med ytor som skulle få is att bildas mer effektivt med minimal energitillförsel. Som exempel kan nämnas snö- eller ismaskiner, eller ytor som är lämpliga för molnsådd, som används av flera västerländska stater för att öka nederbörden. Det kan också hjälpa till att bättre förklara hur små mineralpartiklar i atmosfären hjälper till att göra moln genom isbildning, vilket potentiellt gör vädermodeller mer effektiva.
Forskarna planerar att använda denna modell för att återgå till sina studier av iskärnbildande proteiner i bakterier. Mer än 200 proteiner tros vara iskärnbildande proteiner, men deras strukturer är inte alla kända. Forskarna hoppas kunna studera proteiner med strukturer som har lösts med AI-verktyg, och sedan kommer de att modellera hur aggregat av dessa proteiner påverkar isbildningen.
Tillhandahålls av American Chemical Society
