От абстрактных образований облаков до рева снегоочистителей на лыжных склонах — превращение жидкой воды в твердый лед затрагивает многие аспекты жизни. Принято считать, что температура замерзания воды составляет 0 градусов по Цельсию или 32 градуса по Фаренгейту. Но это происходит из-за зарождения льда — примеси в повседневной воде повышают температуру ее замерзания до этой температуры. Теперь исследователи представляют теоретическую модель, которая показывает, как конкретные структурные детали на поверхностях могут влиять на температуру замерзания воды. Исследователи представили свои результаты на весеннем собрании Американского химического общества (ACS).
«Зародышеобразование льда — одно из наиболее распространенных явлений в атмосфере», — говорит Валерия Молинеро, профессор физической химии и химии материалов. «В 1950-х и 1960-х годах наблюдался всплеск интереса к зарождению льда для управления погодой посредством засева облаков и для других военных целей. Некоторые исследования касались того, как небольшие формы способствуют зарождению льда, но теория была неразвитой, и никто ничего не сделал. количественный».
Когда температура падает, молекулы жидкой воды, которые обычно быстро перемещаются и проносятся мимо друг друга, теряют энергию и замедляются. Как только они теряют достаточно энергии, они останавливаются, ориентируются так, чтобы избежать отталкивания и максимизировать притяжение, и вибрируют на месте, образуя кристаллическую сеть молекул воды, которую мы называем льдом.
Когда жидкая вода совершенно чистая, лед может не образовываться до тех пор, пока температура не упадет до минус 51 градуса по Фаренгейту; это называется переохлаждением. Но когда в воде присутствуют даже мельчайшие примеси — сажа, бактерии или даже отдельные белки, на поверхности могут легче образовываться кристаллы льда, что приводит к образованию льда при температуре выше –51 градуса по Фаренгейту.
Десятилетия исследований выявили тенденции в том, как форма и структура различных поверхностей влияют на температуру замерзания воды. В более раннем исследовании белков, образующих лед внутри бактерий, Молинеро и ее команда обнаружили, что расстояния между группами белков могут влиять на температуру, при которой образуется лед.
«Были расстояния, которые были очень благоприятны для образования льда, и расстояния, которые были совершенно противоположными», — говорит Молинеро.
Подобные тенденции наблюдались и для других поверхностей, но математического объяснения не было найдено.
«Раньше у людей уже было ощущение: «О, возможно, поверхность будет препятствовать или способствовать зарождению льда», но не было возможности объяснить или предсказать то, что они наблюдали экспериментально», — говорит Юцин Цю, постдок, который представляет работу на встрече. И Цю, и Молинеро проводили это исследование в Университете Юты, хотя сейчас Цю работает в Чикагском университете.
Чтобы устранить этот пробел, Молинеро, Цю и команда собрали сотни ранее опубликованных измерений того, как углы между микроскопическими выступами на поверхности влияют на температуру замерзания воды. Затем они протестировали теоретические модели на основе данных. Они использовали модели для рассмотрения факторов, которые способствуют образованию кристаллов льда, например, насколько сильно вода связывается с поверхностями и углы между структурными элементами.
В конце концов они нашли математическое выражение, которое показывает, что определенные углы между поверхностными элементами облегчают сбор и кристаллизацию молекул воды при относительно более высоких температурах. Они говорят, что их модель может помочь в разработке материалов с поверхностями, которые позволят более эффективно формировать лед с минимальными затратами энергии. Примеры включают генераторы снега или льда или поверхности, подходящие для засева облаков, которые используются в нескольких западных штатах для увеличения количества осадков. Это также могло бы помочь лучше объяснить, как крошечные минеральные частицы в атмосфере помогают формировать облака посредством зарождения льда, потенциально делая погодные модели более эффективными.
Исследователи планируют использовать эту модель, чтобы вернуться к исследованиям белков, образующих лед в бактериях. Считается, что более 200 белков являются белками, образующими лед, но их структуры не все известны. Исследователи надеются изучить белки, структуры которых были решены с помощью инструментов искусственного интеллекта, а затем смоделировать, как агрегаты этих белков влияют на образование льда.
