Ny undersøgelse beskriver, hvordan overfladestruktur kan hjælpe eller forhindre dannelse af iskrystaller

En ny undersøgelse, der undersøgte, hvordan is dannes fra rent vand, fandt ud af, at geometrien på overfladen, som vandet er på, kan have indflydelse på, om det fryser eller ej, tyder på, at overfladegeometri spiller en vigtig rolle i isdannelse. Større forståelse for, hvordan isformer kan have konsekvenser lige fra transportsikkerhed til fødevareproduktion.

Is dannes typisk omkring partikler som pollen eller støv, men ultrarent vand kan forblive en væske ned til -40 grader Celsius. På grund af dette, overfladen, som ultra-rent vand er på, kan have stor indflydelse på dannelsen af ​​iskrystaller. Der har imidlertid ikke været nogen vellykket teori til at forudsige, hvilke materialer der er gode til at danne is.

Ved hjælp af en computersimulering, forskere ved George Washington University fandt ud af, at is dannes mest effektivt i en kileform, der indeholder 45-graders eller 70-graders vinkler, sandsynligvis fordi det tillader vandmolekyler at justere på en måde, der hjælper med at danne et isgitter. Derfor, en overflade tekstureret med disse små vinkler ville fryse over før en overflade med en anden geometri. Inden dette gennembrud, ingen anden model har været i stand til at forudsige, hvilken overfladegeometri der kan udløse isdannelse.

"Det var ikke særlig overraskende for os at se isdannelsen fremskyndes af en 70-graders kile, fordi den perfekt matcher den krystallinske isorden, "sagde Tianshu Li, lektor i civil- og miljøteknik og tilsvarende forfatter til papiret. "Den virkelige overraskelse kom, da vi fandt en kile på 45 grader næsten lige så effektiv til at katalysere isdannelse."

Forskergruppen opdagede, at en 45-graders kile fremmer dannelsen af ​​en ufuldkommen iskrystal, der indeholder noget, der kaldes en topologisk defekt. Topologiske defekter i materialer er uregelmæssige områder i en ellers helt ensartet struktur.

"Når en sådan fejl er dannet, det kan lette væksten af ​​almindelig is omkring det, "Sagde Dr. Li.

Dette er første gang, at en undersøgelse har givet klare teoretiske beviser for defekte eksplicitte rolle i krystaldannelse.

Mens isdannelse er et dagligt fænomen, fryseprocessen er dårligt forstået. Forskerne håber at kunne bidrage til en bedre forståelse af dannelse og vækst af iskrystaller ved at anvende forskningen fra computermodellerne til fysiske laboratorier til yderligere test.

Ved at forstå, hvordan man kontrollerer, om iskrystaller dannes eller vokser, forskere har potentiale til at påvirke alt fra flyoverflader, der stopper isvækst til is med en bedre smag.

"Dette fund har også anvendelser ud over isdannelse, "Sagde Li." Fordi krystaldannelse er en vigtig proces på andre områder, vores undersøgelse kan også påvirke produktionen af ​​nye materialer og krystallisation af lægemidler. "