På nanoskala, vatten fryser på olika sätt, och inte alla är helt förstådda. Bland andra förmåner, att få bättre koll på dessa processer kan innebära stora förbättringar i väderprognosen.

För detta ändamål, Amir Haji-Akbaris labb, biträdande professor i kemi- och miljöteknik, har fokuserat på en särskilt snabb process som kallas kontaktfrysning, där en underkyld (under fryspunkten, men ofrusna) vätskedroppar i atmosfären kolliderar med en kärnbildande partikel – dvs. en partikel som underlättar frysning av en vätska som kommer i kontakt med den. Frysningen sker mycket snabbare än processen med nedsänkning - en vanligare händelse där en kärnbildande partikel redan finns inuti en vätskedroppe när temperaturen sjunker.

Resultaten publicerades nyligen i Journal of the American Chemical Society .

Exakt varför kontaktfrysning sker och så snabbt har varit en långvarig fråga bland forskare. Vid en punkt, forskare trodde att frysning inducerades av övergående effekter orsakade av kollisionen. En senare teori ansåg att frysningen accelererades av vad som kallas en kontaktlinje. Det är då en partikel utsätts för tre faser av materia - vätska och en fast partikel. Experiment, fastän, visade att inget av dessa var svaret.

Nyare studier tyder på att frysning sker helt enkelt när ytorna på två partiklar är mycket nära varandra. Haji-Akbari testade detta med en teknik som han nyligen utvecklade kallad jumpy forward-flux sampling, som exakt redogör för framstegen i ett system – som bildandet av is eller snö – även om mönstren kan förändras avsevärt under en kort tidsperiod. Genom att göra så, hans team av forskare visade att närheten till ytor är tillräckligt för att framkalla frysning, men bara under vissa omständigheter. Specifikt, det händer bara när det finns en vätska som är benägen att frysa på ytan.

"Vad vi visade är att för att denna snabbare kärnbildning ska ske, frysningen bredvid gränssnittet mellan ånga och vätska måste också vara snabbare, även om det inte finns någon partikel i denna droppe, " sa han. Ja, de visade att denna kärnbildning sker ännu snabbare i ultratunna filmer av den ytfrysande vätskan.

Haji-Akbari sa att de teoretiska tillvägagångssätten de använde för denna studie kan användas för att förstå andra frysningsprocesser, leder till information som kan resultera i bättre väderprognoser och ge värdefull insikt för materialforskare.

"Flera komponenter i dessa frysningshändelser är inte väl förstådda, inklusive kontaktfrysning, " sa han. "Så nästa steg i vårt arbete är att kunna bygga bättre modeller, vilket kan resultera i mer exakta eller tillförlitliga förutsägelser."