Isdannelse på overflader forstærket via en ikke-klassisk kernedannelsesproces

Is er allestedsnærværende og har en dyb indvirkning på vores daglige liv, påvirke områder som klimaændringer, transport, og energiforbrug. Forståelse af isdannelsesprocessen kan bremse den hastighed, hvormed gletsjere smelter, og havniveauet stiger og afhjælpe andre store miljøproblemer.

Da isdannelse hovedsageligt er styret af iskernedannelse efterfulgt af væksten af ​​kernerne, forskere har gjort en stor indsats for at forstå termodynamikken og kinetikken bag kernedannelsesprocesserne. Iskernedannelse kan forekomme på to forskellige måder:homogent i bulkvand eller heterogent på overfladen af ​​et fast materiale, hvor heterogen iskernedannelse (HIN) er den fremherskende måde for isdannelse på jorden. Imidlertid, i modsætning til homogen iskernedannelse, vand-overflade-interaktionerne i HIN gør kernedannelsesprocessen følsom over for overfladeegenskaber. At forstå, hvordan overflader påvirker kernedannelsesprocessen, er en lovende tilgang til bedre at forudsige og kontrollere krystallisationsprocesser.

En almindelig model, der bruges til at kvantificere nukleationskinetik baseret på en termodynamisk ramme, klassisk nukleationsteori (CNT), antyder, at vandmolekyler skal danne en iskerne af kritisk størrelse, før en krystallisationsproces finder sted. Dannelsen af ​​den kritiske iskerne er forbundet med en enkelt fri energibarriere, som skal overvindes for at udløse yderligere isvækst. Imidlertid, i årenes løb, både eksperimenter og simuleringer har afsløret, at CNT ofte er utilstrækkeligt til at beskrive nogle komplekse nukleationsprocesser. Følgelig, CNT har været genstand for enorm debat, og ikke-klassiske nukleationsteorier er blevet foreslået alternativt.

Forskellig fra CNT, som er baseret på at overvinde en enkelt fri energibarriere, ikke-klassiske nukleationsteorier antyder, at nukleationsprocesser består af to eller flere trin adskilt af flere frie energibarrierer. Selvom ikke-klassiske nukleationsteorier kan være en mere bæredygtig model, de atomistiske mekanismer og strukturelle udviklinger under kernedannelse i ikke-klassiske kernedannelsesveje er ikke velkendte; og er fortsat en udfordring for eksperimentelle teknikker at optrevle.

Nu, for første gang, en gruppe forskere ved HKUST ledet af prof. Xuhui Huang fra Institut for Kemi kombinerede Markov State Models (MSM'er) – som modellerer langtidsskala dynamik af kemiske molekyler – og overgangsvejsteori (TPT) – som beskriver reaktionsvejen for sjældne begivenheder - for at belyse HIN's ensemble-veje. MSM'er identificerer mellemtilstande af uordnede isblandinger og sammenligner parallelle veje (klassisk vs. ikke-klassisk). Denne fordel hjalp med at optrevle de underliggende mekanismer for ikke-klassiske nukleationsprocesser og sameksistensen af ​​de to veje.

Disse forskere viser, at den uordnede blanding af is stabiliserer den kritiske kerne og gør den ikke-klassiske kernedannelsesvej lige så tilgængelig som den klassiske bane, hvis kritiske kerne hovedsageligt består af potentiel energibegunstiget is. De opdagede også, at ved høje temperaturer, nukleationsprocessen foretrækker at fortsætte via den klassiske vej, da de potentielle energibidrag, som favoriserer den klassiske vej, være fremherskende.

"Ikke kun afdækker vores arbejde mekanismerne bag ikke-klassiske kernedannelsesprocesser, men det viser også, hvordan kombinationen af ​​MSM'er og TPT tilbyder en kraftfuld ramme til at studere strukturelle udviklinger af iskernedannelsesprocesser, " sagde prof. Huang. "Vigtigere er det, denne metode kan udvides til andre krystalkernedannelsesprocesser, der er udfordrende at studere, som vil åbne nye døre for forskere, der forsøger at forudsige og kontrollere krystalliseringsprocesser."

Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation . Den første forfatter til dette værk:Dr. Chu Li er en langvarig HKUST-associeret virksomhed, som afsluttede sin Ph.D., og gennemfører i øjeblikket sin post-doc uddannelse på HKUST.