Økologiske krystaller isdannende superkræfter

I hjertet af skyer er iskrystaller. Og i hjertet af iskrystaller, tit, er aerosolpartikler - støv i atmosfæren, hvorpå der lettere kan dannes is end i fri luft.

Det er lidt mystisk hvordan det sker, selvom, fordi iskrystaller er ordnede strukturer af molekyler, mens aerosoler ofte er uorganiserede bidder. Ny forskning af Valeria Molinero, fremtrædende professor i kemi, og Atanu K. Metya, nu på Indian Institute of Technology Patna, viser, hvordan krystaller af organiske molekyler, en almindelig komponent i aerosoler, kan få arbejdet gjort.

Historien er mere end det, dog - det er et tilbagevenden til koldkrigstidens skyfrøforskning og en undersøgelse af en ejendommelig hukommelseseffekt, der ser is dannes lettere på disse krystaller anden gang.

Forskningen, finansieret af Air Force Office of Scientific Research, er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Throwback til cloud seeding

Molineros forskning er fokuseret på, hvordan is dannes, især kernedannelsesprocessen, som er begyndelsen på iskrystaldannelse. Under de rette forhold, vandmolekyler kan danne is på egen hånd. Men ofte noget andet materiale, kaldet et kernestof, kan hjælpe processen videre.

Efter adskillige undersøgelser af, hvordan proteiner kan hjælpe med at danne is, Molinero og Metya vendte deres opmærksomhed mod organiske iskerner (som brugt her, "organisk" betyder organiske forbindelser, der indeholder kul), fordi de ligner de isproducerende proteiner og findes i luftbårne aerosoler.

Men en gennemgang af den videnskabelige litteratur viste, at artiklerne, der diskuterede iskernedannelse med organiske forbindelser, kom fra 1950'erne og 1960'erne, med meget lidt opfølgningsarbejde derefter indtil for ganske nylig.

"Det gjorde mig virkelig nysgerrig, " siger Molinero, "fordi der nu er stor interesse for organiske aerosoler og om og hvordan de fremmer dannelsen af ​​is i skyer, men al denne nye litteratur syntes adskilt fra disse tidlige grundlæggende undersøgelser af organiske iskerner."

Yderligere forskning afslørede, at det tidlige arbejde med organiske iskerner var relateret til undersøgelsen af ​​skysåning, en efterkrigslinje for forskning i, hvordan partikler (primært sølviodid) kunne indføres i atmosfæren for at fremme skydannelse og nedbør. Forskere undersøgte egenskaberne af organiske forbindelser som iskerner for at se, om de kunne være omkostningseffektive alternativer til sølviodid.

Men forskning i skyfrø kollapsede i 1970'erne efter politisk pres og frygt for vejrændringer førte til et forbud mod praksis i krigsførelse. Finansiering og interesse for organiske iskerner tørrede indtil for nylig, da klimaforskningen ansporede en fornyet interesse for isdannelsens kemi i atmosfæren.

"Der har været en stigende interesse for iskernedannelse med organiske aerosoler i de sidste par år, men ingen forbindelse til disse gamle undersøgelser af organiske krystaller, " siger Molinero. "Så, Jeg troede, det var på tide at "redde" dem ind i den moderne litteratur."

Bliver helt klassisk

Phloroglucinol er et af de organiske nukleanter, der blev undersøgt i midten af ​​20'erne ^th århundrede. Det viste løfte om at kontrollere tåge, men mindre til skysåning. Molinero og Metya besøgte phloroglucinol igen, da det viste sig potent til iskernedannelse i laboratoriet.

Et spørgsmål at besvare er, om phloroglucinol nukleerer is gennem klassiske eller ikke-klassiske processer. Når isen danner kerne af sig selv, uden overflader eller andre molekyler, den eneste hindring at overvinde er at danne en stabil krystallit af is (kun omkring 500 molekyler i størrelse under nogle forhold), som andre molekyler kan bygge på for at dyrke en iskrystal. Det er klassisk kernedannelse.

Ikke-klassisk kernedannelse, involverer en kerneoverflade, opstår, når et lag af vandmolekyler samles på overfladen, hvorpå andre vandmolekyler kan organisere sig i et krystalgitter. Den hindring, der skal overvindes i ikke-klassisk kernedannelse, er dannelsen af ​​monolaget.

Hvad gælder for phloroglucinol? I 1960'erne, forskeren L.F. Evans konkluderede, at det var ikke-klassisk. "Jeg er stadig overrasket over, at han var i stand til at udlede eksistensen af ​​et monolag og udlede, at mekanismen var ikke-klassisk ud fra eksperimenter med frysning alene som en funktion af temperaturen!" siger Molinero. Men Molinero og Metya, ved hjælp af molekylære simuleringer af, hvordan is dannes, fandt ud af, at det er mere kompliceret.

"Vi finder ud af, at det trin, der virkelig afgør, om vand omdannes til is eller ej, ikke er dannelsen af ​​monolaget, men væksten af ​​en iskrystallit på toppen, " siger Molinero. "Det gør isdannelse af organiske stoffer klassisk, men ikke mindre fascinerende."

Holder fast i minderne om is

Forskerne brugte også deres simuleringsmetoder til at undersøge en interessant hukommelseseffekt, der tidligere er observeret med organiske og andre nukleanter. Når der dannes is, smeltet og dannet igen ved hjælp af disse nukleanter, den anden krystallisationsrunde er mere effektiv end den første. Det antages, at isen smelter fuldstændigt mellem krystallisationerne, og forskere har fremlagt flere potentielle forklaringer.

Molinero og Metya fandt ud af, at hukommelseseffekten ikke skyldes, at isen ændrer kerneoverfladen, heller ikke til monolaget af vand, der forbliver på kerneoverfladen efter smeltning. I stedet, deres simuleringer understøttede en forklaring, hvor sprækker i kernestoffet kan holde på små mængder is, der smelter ved højere temperaturer end resten af ​​isen i eksperimentet. Hvis disse sprækker støder op til en af ​​de nukleante krystaloverflader, der er god til at danne is, så er det afsted til løbene, når anden frysningsrunde begynder.

Noget i luften

Andre mysterier er stadig tilbage - undersøgelser fra midten af ​​århundredet af organiske krystaller viste, at ved høje tryk, omkring 1500 gange atmosfærisk tryk, at krystallerne er lige så effektive til at organisere vandmolekyler til is som en iskrystal selv. Hvorfor? Det er fokus for Molineros næste eksperimenter.

Mere umiddelbart, selvom, Phloroglucinol er en naturligt forekommende forbindelse i atmosfæren, så alt, hvad forskerne kan lære om det og andre organiske nukleanter, kan hjælpe med at forklare aerosolers evne til at kerne is og regulere dannelsen af ​​skyer og nedbør.

"Det ville være vigtigt at undersøge, om små krystallitter af disse krystallinske iskerner er ansvarlige for den forvirrende iskernedannelsesevne af ellers amorfe organiske aerosoler, " siger Molinero.