Magnetiske felter i bevægelse forstyrrer iskernen

Stor videnskab stammer fra nysgerrighed og hårdt arbejde. I dette tilfælde, det hele begyndte med en ødelagt fryser.

Atsuko Kobayashi (MS '91) og Caltech -professor Joseph Kirschvink (BS, MS '75)-et mand-og-hustru af forskere, der deler deres tid mellem Japan og USA-vendte tilbage til deres hjem for at opdage, at deres fryser var død på et tidspunkt under deres fravær.

Mens du handler efter en ny, Kobayashi så en annonce for en speciel type fryser, der brugte magnetfelter til at holde maden friskere ved at "afkøle" dem. Hun købte den ikke, men hun ville vide, hvorfor superafkøling kan forbedre frosne fødevarer, og hvordan magnetiske felter kan forårsage superafkøling.

Ved afkøling under 0 grader Celsius, vandmolekyler begynder at danne iskrystaller, uanset hvor der er suspenderet mineraler eller andre faste stoffer i vandet - det der er kendt som nukleationssteder. Helt rent vand, mangler kimdannelsessteder, kan køles langt under det sædvanlige frysepunkt og alligevel forblive en væske - en proces kaldet superafkøling.

Superkøling har kommercielle fordele. Ja, uden nødvendigvis at kende mekanismerne bag, hvorfor de fungerer, Japanske fiskere har brugt de magnetisk styrede frysere til at transportere fisk lange afstande til markedet. Behandlingen påstås at reducere celleskader i fiskenes kød, bevarer smagen og konsistensen intakt. Fisken sælger ofte på det konkurrencedygtige fiskemarked til priser, der kan sammenlignes med friskfanget sort.

"Når du afkøler vand, før du fryser det ned, den resulterende is ekspanderer ikke så meget i volumen som almindelig is, fordi den får en anden krystallinsk struktur. Hvis du fryser væv, der har vand i sig, mindre ekspansion betyder mindre skade på celler, "Siger Kobayashi. Processen giver også videnskabelige fordele. Som elektronmikroskop, Kobayashi skal ofte fryse biologiske væv, før han genererer billeder af dem. Et af hendes hovedmål har været at finde måder at fryse biologisk væv og minimere skader forårsaget af dannelse af iskrystaller.

"Spørgsmålet var, hvorfor ville magnetfelter have nogen effekt på, om urenset vand, ligesom vandet i cellerne, kunne være superafkølet? "spørger Kobayashi, som er seniorforsker ved Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology og gæst i geologi og biologi ved Caltech.

Mens man undersøger mineraler, der er i stand til iskerndannelse, hun havde en erkendelse:svaret kunne ligge i magnetit, en naturligt forekommende forbindelse af jern og ilt, der er magnetisk.

Kobayashi og Kirschvinks forskergruppe har længe undersøgt magnetit. Kobayashi var den første til at lykkes med at udvinde og billeddannelse af nanokrystaller af biologisk magnetit i den menneskelige hjerne, og Kirschvink, Nico og Marilyn Van Wingen, professor i geobiologi ved Caltech, har brugt de sidste 30 år på at undersøge, hvilken rolle biologisk magnetit kan spille i magnetoreception - levende væsens evne til at fornemme magnetfelter

Deres arbejde bygger på Heinz Lowenstams forskning, en paleokolog, der sluttede sig til Caltech i 1952. Selvom det var velkendt, at dyr kunne generere hårde mineraler i tænder og knogler, Lowenstam fandt opdagelsen i 1962, at tænderne på kitoner (en slags marine bløddyr) var lukket med magnetit. Magnetit er det hårdeste mineral, ethvert dyr kan lave, og det blev senere opdaget som et biologisk bundfald i væsner som bakterier, bier, fugle, og pattedyr - herunder mennesker.

Kobayashi har vist, at spormængder af magnetitpartikler tilsat vand har en enorm effekt på dets frysetemperatur. Et tidligere papir fra Kobayashi/Kirschvink -forskergruppen viste, at et par dele pr. Milliard magnetit tilsat ultrarent vand - vand, der mangler andre kimdannelsessteder - forhindrede overkøling næsten helt. Graver dybere, de fandt ud af, at is let krystalliserer på overfladen af ​​magnetitpartikler ved temperaturer lige under 0 grader Celsius.

Begrundelse for, at enhver lille forstyrrelse på overfladen af ​​magnetitten skulle forstyrre denne proces og forhindre frysning, de designede derefter en række eksperimenter ved hjælp af roterende magnetfelter, der var cirka 20 gange stærkere end jordens magnetfelt - stærkt nok til at vippe magnetitmolekylerne. Ved at holde magnetitmolekylerne i konstant bevægelse, de forhindrede is i at dannes på deres overflade og kunne superkøle magnetitimprægneret vand næsten lige så godt som ultrarent vand. Dette fungerede endda i to repræsentative typer væv:selleri (til grøntsager) og ko -muskler (til kød). Ved at jiggle med magnetitmolekylerne i plantens og dyrevævets celler, de var i stand til at afkøle dem og i sidste ende fryse dem med mindre skade på vævene.

"Fundet validerer de japanske fiskere, der har brugt denne teknologi i årevis og bekræfter magnetit som den underliggende årsag til, hvorfor der dannes is i væv, "siger Kobayashi. Det foreslår også en måde at hjælpe med at håndtere verdens sult, hun siger. Nylige skøn fra National Resources Defense Council angiver, at 40 procent af den menneskelige madforsyning går tabt mellem gården og spisebordet, og at frost- og fryseskader er ansvarlig for en del af dette tab. "Hvis denne skade kunne dæmpes ved den kontrollerede anvendelse af magnetfelter, mere mad kan komme til borde verden over, reducere brændstoffet, gødning, og vand nødvendigt til moderne landbrug, "Kobayashi siger." At forstå grunden til, at beskadigelse af is dannes i væv, når de fryser, kan også føre til forbedrede teknikker til kryogen lagring af levende æg, sædceller, embryoner, og måske endda smådyr. "

For Kirschvink, dette fund er kun begyndelsen. Magnetit kan være en primær årsag til iskernen i naturen, han siger. "Klimaforskere har forsøgt at fastslå kilden til iskernen i årtier, så vi kunne forbedre atmosfæriske cirkulationsmodeller, sky såning.

Studiet, med titlen "Magnetic Control of Heterogenous Ice Nucleation with Nanophase Magnetite:Biophysical and Agricultural Implications, "vises online forud for offentliggørelse i Procedurer fra National Academy of Sciences den 7. maj.