Ny model afklarer, hvorfor vand fryser ved en række temperaturer

Årtiers forskning har afsløret tendenser i, hvordan forskellige overfladers former og strukturer påvirker vandets frysepunkt. I en tidligere undersøgelse af iskernedannende proteiner i bakterier, fandt Molinero og hendes team, at afstandene mellem grupperne af proteiner kunne påvirke den temperatur, hvorved isen blev dannet.

"Der var afstande, der var meget gunstige for isdannelse, og afstande, der var helt modsatte," siger Molinero.

Lignende tendenser var blevet observeret for andre overflader, men der var ikke fundet nogen matematisk forklaring.

"Folk før havde allerede en følelse af 'Åh, måske vil en overflade hæmme eller fremme iskernedannelse', men ingen måde at forklare eller forudsige, hvad de observerede eksperimentelt," siger Yuqing Qiu, en postdoc, som præsenterer arbejdet på mødet . Både Qiu og Molinero udførte denne forskning ved University of Utah, selvom Qiu nu arbejder ved University of Chicago.

For at løse dette hul, indsamlede Molinero, Qiu og teamet hundredvis af tidligere rapporterede målinger om, hvordan vinklerne mellem mikroskopiske bump på en overflade påvirkede vands frysetemperatur. De testede derefter teoretiske modeller mod dataene. De brugte modellerne til at overveje faktorer, der ville tilskynde til iskrystaldannelse, såsom hvor stærkt vand binder til overfladerne og vinklerne mellem strukturelle træk.

Til sidst identificerede de et matematisk udtryk, der viser, at visse vinkler mellem overfladetræk gør det lettere for vandmolekyler at samle sig og krystallisere ved relativt varmere temperaturer. De siger, at deres model kan hjælpe med at designe materialer med overflader, der ville få is til at danne mere effektivt med minimal energitilførsel. Eksempler omfatter sne- eller ismagere eller overflader, der er egnede til skysåning, som bruges af flere vestlige stater til at øge nedbøren. Det kunne også hjælpe med at forklare, hvordan små mineralpartikler i atmosfæren hjælper med at skabe skyer gennem iskernedannelse, hvilket potentielt gør vejrmodeller mere effektive.

Forskerne planlægger at bruge denne model til at vende tilbage til deres undersøgelser af iskernedannende proteiner i bakterier. Mere end 200 proteiner menes at være iskernedannende proteiner, men deres strukturer er ikke alle kendte. Forskerne håber at studere proteiner med strukturer, der er blevet løst med AI-værktøjer, og så vil de modellere, hvordan aggregater af disse proteiner påvirker isdannelsen.

Leveret af American Chemical Society