At finde ud af, hvordan isformer kunne holde forruder, elledninger isfri

Hvordan dannes is? Overraskende nok, videnskaben har ikke fuldt ud besvaret det spørgsmål. Forskelle i isdannelse på forskellige overflader er stadig ikke godt forstået, men forskere i dag vil forklare deres konstatering af, at de arrangementer, som overfladeatomer pålægger vandmolekyler, er nøglen. Arbejdet har betydning for at forhindre isdannelse, hvor det ikke er ønsket (forruder, elledninger) og for at fremme isdannelsen, hvor den er (bevaring af fødevarer eller organer). Resultaterne kan også hjælpe med at forbedre vejrudsigten.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition efterår 2019.

"Vi opdagede, at hvis vi ser på den flydende vandstruktur, hvor den kommer i kontakt med overfladen, vi kan begynde at forstå og forudsige, om en given overflade vil fremme eller hæmme isdannelse, " siger Sapna Sarupria, Ph.D., projektets hovedefterforsker. "Vi arbejder sammen med samarbejdspartnere om at bruge disse oplysninger til bedre at forstå isens rolle i vejret og til at designe overflader, der er gode eller dårlige for isdannelse. Ville det ikke være fantastisk at have en forrude, der ikke lader isen hænge fast til det om vinteren?"

Saruprias team bruger computere til at studere molekylære simuleringer af overflader og isdannelse. I modsætning til den mere rodede virkelige verden, denne kontrollerede indstilling giver hende mulighed for at undersøge virkningen af ​​en ændring i kun én overfladeparameter – eller endda kun ét atom – ad gangen. Forskerne korrelerer derefter resultaterne med resultaterne fra eksperimentelister, der arbejder med materialer fra den virkelige verden, herunder sølviodid eller mineraler såsom glimmer og kaolinit. Sølviodid er så effektivt til at fremme isdannelse, at det bruges til skyfrø for at stimulere nedbør under tørke.

Isdannelse, eller kernedannelse, opstår, når flydende vand gennemgår en faseovergang til fast vand. Vand kan også gennemgå andre faseovergange, såsom at skifte fra is tilbage til en væske, eller at dampe. Hvis disse overgange finder sted i skyer, de kan danne regndråber og sne. "Når du vil forudsige vejret, du skal vide, hvordan disse faseovergange sker, og det er i bund og grund et åbent spørgsmål, " siger Sarupria, der er på Clemson University. Disse ændringer forekommer ofte i nærværelse af partikler såsom mineralstøv i atmosfæren. Støvtypen og mængden afgør, hvilken type nedbør der opstår. "Vi forsøger at forstå, hvordan forskellige støvpartikeloverflader påvirker overgangen af ​​vand fra den flydende til den faste fase i skyer, " hun siger.

Gode ​​gamle H ₂ O er netop det:en oxygen bundet til to hydrogenatomer. Disse brinter tiltrækkes mere af nogle overflader end andre, og det påvirker, hvordan vandmolekyler orienterer sig på en overflade. Deres arrangement med hensyn til overfladeatomer på støvpartikler og i forhold til andre vandmolekyler er faktisk den vigtigste faktor i isdannelse, Saruprias team opdagede. Dette fund forklarer også, hvorfor sølviodid er så god en kernedannelse. Først, dets overfladeatomer er lagt ud på en måde, der ligner arrangementet af vandmolekyler i is, så det er en effektiv skabelon. Sekund, sølvionens positive ladning og jodets negative ladning orienterer flydende vands hydrogener og oxygen på den rigtige måde, så det danner en isstruktur. "Afstandene mellem atomerne, og denne ordning af gebyrer, er meget vigtige for, at sølviodid kan være en kernedannende, " siger Sarupria.

Forskerne samarbejder nu med eksperimenter, der studerer atmosfæriske fænomener for at hjælpe dem med at forklare deres resultater. "Hvis vi kan modellere disse fænomener, vi kan måske bedre forstå isens rolle i vejret, " forklarer hun.

Sarupria anvender også sin forståelse af vandstruktur til at designe overflader, der kan fremme eller hæmme isdannelse. For eksempel, for at forhindre skade under madopbevaring eller nedfrysning af organer, nogen i fremtiden kunne bruge den nye viden til at danne is ved temperaturer tættere på 32 F, vands frysepunkt, i stedet for ved lavere temperaturer. Dette kunne gøres ved at modificere overfladen af ​​emballagen eller tilføje molekyler til opløsningen til kryokonservering. "I andre tilfælde, såsom forruder og elledninger, du vil måske ikke have, at der dannes is, " siger Sarupria. "Så vi prøver at finde ud af, hvordan man laver belægninger eller overflader, der ikke lader is danne sig, eller hvis det dannes, det vil ikke lade det hænge." Hendes team forsøger også at forstå, hvordan naturlige frostvæskeproteiner hjælper fisk og andre organismer med at overleve under kolde forhold. "I sidste ende, om det er disse proteiner eller støvpartikler, det hele handler om, hvordan de påvirker vandstrukturen, " siger hun. "Vi ønsker at bruge denne information til at skabe en parameter, der kunne hjælpe os med hurtigt at screene overflader for deres iskernedannelsesevne."