Stor vetenskap härrör från nyfikenhet och hårt arbete. I detta fall, allt började med en trasig frys.

Atsuko Kobayashi (MS '91) och Caltech-professorn Joseph Kirschvink (BS, MS '75) – ett man-och-maka-team av forskare som delar sin tid mellan Japan och USA – återvände till sitt hem för att upptäcka att deras frys hade dött någon gång under deras frånvaro.

När du handlar efter en ny, Kobayashi såg en annons för en speciell typ av frys som använder magnetfält för att hålla maten fräschare genom att "supera" dem. Hon köpte den inte, men hon ville veta varför underkylning kan förbättra fryst mat och hur magnetiska fält kan orsaka underkylning.

När den kyls under 0 grader Celsius, vattenmolekyler börjar bilda iskristaller varhelst det finns mineraler eller andra fasta ämnen suspenderade i vattnet - så kallade kärnbildningsplatser. Helt rent vatten, saknar kärnbildningsställen, kan kylas långt under den vanliga fryspunkten och ändå förbli en vätska - en process som kallas underkylning.

Superkylning har kommersiella fördelar. Verkligen, utan att nödvändigtvis känna till mekanismerna bakom varför de fungerar, Japanska fiskare har använt de magnetiskt styrda frysarna för att transportera fisk långa sträckor till marknaden. Behandlingen påstås minska cellskadorna i fiskarnas kött, håller smaken och konsistensen intakt. Fisken säljs ofta på den konkurrensutsatta fiskmarknaden till priser jämförbara med nyfångad sort.

"När du superkylar vatten innan du fryser in det, den resulterande isen expanderar inte lika mycket i volym som vanlig is eftersom den får en annan kristallin struktur. Om du fryser vävnader, som har vatten i sig, mindre expansion betyder mindre skada på celler, " säger Kobayashi. Processen erbjuder också vetenskapliga fördelar. Som elektronmikroskopist, Kobayashi måste ofta frysa biologiska vävnader innan de genererar bilder av dem. Ett av hennes främsta mål har varit att hitta sätt att frysa biologisk vävnad samtidigt som den minimerar skador orsakade av iskristallbildning.

"Frågan var, varför skulle magnetfält ha någon effekt på om orenat vatten, som vattnet i cellerna, skulle kunna vara superkyld?" frågar Kobayashi, som är senior forskare vid Earth-Life Science Institute vid Tokyo Institute of Technology och besökare i geologi och biologi vid Caltech.

Samtidigt som man forskar om mineraler som kan bilda iskärnor, hon hade en insikt:svaret kunde ligga i magnetit, en naturligt förekommande förening av järn och syre som är magnetisk.

Kobayashi och Kirschvinks forskargrupp har länge studerat magnetit. Kobayashi var den första som lyckades utvinna och avbilda nanokristaller av biologisk magnetit i den mänskliga hjärnan, och Kirschvink, Nico och Marilyn Van Wingen professor i geobiologi vid Caltech, har ägnat de senaste 30 åren åt att utforska vilken roll biologisk magnetit kan spela i magnetoreception – levande varelsers förmåga att känna av magnetfält

Deras arbete bygger på Heinz Lowenstams forskning, en paleoekolog som gick med i Caltech 1952. Även om det var välkänt att djur kunde generera hårda mineraler i tänder och ben, Lowenstam gjorde upptäckten 1962 att tänderna på chitoner (en typ av marina blötdjur) var täckta med magnetit. Magnetit är det hårdaste mineral som ett djur kan göra, och det upptäcktes senare som en biologisk fällning i varelser som bakterier, bin, fåglar, och däggdjur – inklusive människor.

Kobayashi har visat att spårmängder av magnetitpartiklar som läggs till vatten har en enorm effekt på dess frystemperatur. En tidigare artikel från Kobayashi/Kirschvinks forskargrupp visade att några delar per miljard magnetit tillsatt till ultrarent vatten - vatten som saknar andra kärnbildningsställen - förhindrade underkylning nästan helt. Gräver djupare, de fann att is kristalliseras lätt på ytan av magnetitpartiklar vid temperaturer strax under 0 grader Celsius.

Som resonerar att varje liten störning på magnetitens yta bör störa denna process och förhindra frysning, de designade därefter en serie experiment med roterande magnetfält som är ungefär 20 gånger starkare än jordens magnetfält – tillräckligt starkt för att vicka på magnetitmolekylerna. Genom att hålla magnetitmolekylerna i konstant rörelse, de hindrade is från att bildas på deras yta och kunde superkyla magnetitimpregnerat vatten nästan lika bra som ultrarent vatten. Detta fungerade till och med i två representativa typer av vävnad:selleri (för grönsaker) och komuskler (för kött). Genom att vicka på magnetitmolekylerna i cellerna i växt- och djurvävnaderna, de kunde superkyla dem och i slutändan frysa dem med mindre skada på vävnaderna.

"Fyndet bekräftar de japanska fiskarna som har använt denna teknik i flera år och bekräftar magnetit som den underliggande orsaken till varför skadlig is bildas i vävnader, " säger Kobayashi. Det föreslår också ett sätt att hjälpa till att ta itu med världens hunger, hon säger. Nya uppskattningar av National Resources Defense Council indikerar att 40 procent av den mänskliga matförsörjningen går förlorad mellan gården och matbordet, och att frost- och frysskador är ansvariga för en del av denna förlust. "Om den skadan kunde mildras genom kontrollerad applicering av magnetiska fält, mer mat kan komma till bords över hela världen, minska bränslet, gödselmedel, och vatten som behövs för modernt jordbruk, " säger Kobayashi. "Att förstå anledningen till att skadlig is bildas i vävnader när de fryser kan också leda till förbättrade tekniker för kryogen lagring av levande ägg, sperma, embryon, och kanske till och med små djur."

För Kirschvink, detta fynd är bara början. Magnetit kan vara en primär orsak till iskärnbildning i naturen, han säger. "Klimatforskare har försökt fastställa källan till iskärnbildning i årtionden så att vi kunde förbättra atmosfäriska cirkulationsmodeller, molnsådd.

Studien, med titeln "Magnetisk kontroll av heterogen iskärnbildning med nanofasmagnetit:biofysiska och jordbruksmässiga konsekvenser, " visas online före publicering i Proceedings of the National Academy of Sciences den 7 maj.