Isbindende molekyler stopper isvækst, fungere som naturligt frostvæske

Visse molekyler binder sig tæt til overfladen af ​​is, skabe en buet grænseflade, der kan standse yderligere isvækst. Nogle insekter, planter, og havlevende væsner indeholder proteinmolekyler af denne type, der fungerer som naturlige frostvæsker, giver organismerne mulighed for at modstå minusgrader.

I Journal of Chemical Physics , forskere rapporterer om en beregningsmetode til at modellere isbinding ved hjælp af en biasing-teknik til at drive isdannelsen i simuleringen.

Frostvæskeproteiner virker ved at binde sig til en eksisterende grænseflade mellem is og flydende vand. Den resulterende buede overflade stopper væksten af ​​is. Der er også iskernedannende molekyler, der katalyserer dannelsen af ​​is fra underafkølet flydende vand.

Begge fænomener kræver en forståelse af, hvordan molekyler binder sig til is. Forståelse af isbinding er vigtig for så forskellige applikationer som kryokonservering af organer og klimamodellering, men ingen beregningsmetoder til effektivt at modellere dette fænomen har eksisteret til dato.

"Den centrale fordel ved den is-biasende simuleringstilgang er, at den samtidig identificerer den isbindende overflade, isfladen den binder sig til, og indbindingsmåden, " sagde forfatteren Valeria Molinero.

Efterforskerne skabte to typer modeller. Den ene type er en model med alle atomer, der indeholder alle atomerne i vandets væske- og isfase såvel som i molekylet af frostvæsketypen. Den anden type model, der er studeret, kaldes en grovkornet model, som sparer beregningsressourcer ved at blande atomer sammen til enklere strukturer.

Undersøgelsen så på en række molekyler, der binder is, inklusive polyvinylalkohol, en syntetisk is-rekrystallisationsinhibitor, såvel som naturlige frostvæskeproteiner, såsom en fra billen Tenebrio molitor. Proteiner udgør en simuleringsudfordring, da de har meget små overflader, der binder is. Dette begrænser størrelsen af ​​den iskrystal, de kan binde.

Nogle systemer har mere end ét sted, hvor is kan binde sig. Dette er tilfældet for det naturlige frostvæskeprotein i haviskiselalgen Frailariopsis cylindrus. For at afgøre, om et protein som dette har mere end én isbindende overflade, IBS, efterforskerne udviklede en metode, de kaldte "cap and repeat".

"I denne strategi, vi udførte først en forudindtaget simulering for at opdage en IBS. Derefter, vi dækker denne IBS for at forhindre isdannelse på den og udfører en anden biasing-simulering for at finde ud af, om der dannes is på andre steder, " sagde Molinero.

De metoder, der er udviklet i denne undersøgelse, viser meget lovende for en række anvendelser, herunder at finde molekyler til at beskytte frosset væv under opbevaring, fremme forståelsen af ​​naturlige frostvæskeproteiner, og i klimamodeller, hvor iskernedannelse i atmosfæren spiller en nøglerolle.