En ny studie som undersökte hur is bildas från rent vatten fann att geometrin på ytan som vattnet är på kan ha en effekt på om det fryser eller inte, vilket tyder på att ytgeometri spelar en viktig roll vid isbildning. Större förståelse för hur isformer kan ha konsekvenser från transportsäkerhet till livsmedelsproduktion.

Is bildas vanligtvis runt partiklar som pollen eller damm, men ultrarent vatten kan förbli en vätska ner till -40 grader Celsius. På grund av detta, ytan som ultrarent vatten finns på kan ha stor inverkan på bildandet av iskristaller. Det har dock inte funnits någon framgångsrik teori för att förutsäga vilka material som är bra på att bilda is.

Med hjälp av en datorsimulering, forskare vid George Washington University fann att is bildas mest effektivt i en kilform som innehåller 45-graders eller 70-graders vinklar, troligtvis för att det tillåter vattenmolekyler att anpassa sig på ett sätt som hjälper till att bilda ett isgitter. Därför, en yta strukturerad med dessa små vinklar skulle frysa före en yta med en annan geometri. Innan detta genombrott, ingen annan modell har kunnat hjälpa till att förutsäga vilken ytgeometri som kan utlösa isbildning.

"Det var inte särskilt överraskande för oss att se isbildningen accelereras av en 70-graders kil, eftersom det matchar den kristallina ordningen av is perfekt, sa Tianshu Li, docent i civil- och miljöteknik och motsvarande författare till uppsatsen. "Den verkliga överraskningen kom när vi fann att en 45-graderskil är nästan lika effektiv för att katalysera isbildning."

Forskargruppen upptäckte att en 45-graderskil främjar bildandet av en ofullständig iskristall som innehåller något som kallas en topologisk defekt. Topologiska defekter i material är oregelbundna områden i en i övrigt perfekt enhetlig struktur.

"När en sådan defekt har bildats, det kan underlätta tillväxten av vanlig is runt den, " sa Dr Li.

Detta är första gången en studie har gett tydliga teoretiska bevis på den explicita roll som defekter spelar i kristallbildning.

Även om isbildning är ett dagligt fenomen, frysningsprocessen är dåligt förstådd. Forskarna hoppas kunna bidra till en bättre förståelse av iskristallbildning och tillväxt genom att tillämpa forskningen från datormodellerna till fysiska laboratorier för vidare testning.

Genom att förstå hur man kontrollerar om iskristaller bildas eller växer, forskare har potential att påverka allt från flygplansytor som stoppar istillväxt till bättre smakande glass.

"Det här fyndet har också tillämpningar bortom bildandet av is, ", sa Li. "Eftersom kristallbildning är en viktig process inom andra områden, vår studie kan också påverka produktionen av nya material och kristallisering av läkemedel."