_ Noul model clarifică de ce apa îngheață la o gamă de temperaturi

De la formațiuni de nori cu aspect abstract la vuiet de mașini de zăpadă pe pârtiile de schi, transformarea apei lichide în gheață solidă atinge multe fațete ale vieții. Punctul de îngheț al apei este în general acceptat a fi de 32 de grade Fahrenheit. Dar asta se datorează nucleării gheții - impuritățile din apa de zi cu zi își ridică punctul de îngheț la această temperatură. Acum, cercetătorii dezvăluie un model teoretic care arată modul în care detaliile structurale specifice de pe suprafețe pot influența punctul de îngheț al apei.

Cercetătorii își vor prezenta rezultatele la reuniunea de primăvară a Societății Americane de Chimie (ACS).

„Nuclearea gheții este unul dintre cele mai comune fenomene din atmosferă”, spune Valeria Molinero, profesor de chimie fizică și materiale. „În anii 1950 și 1960, a existat o creștere a interesului pentru nuclearea gheții pentru a controla vremea prin însămânțarea norilor și pentru alte scopuri militare. Unele studii au abordat modul în care formele mici promovează nuclearea gheții, dar teoria era nedezvoltată și nimeni nu a făcut nimic. cantitativ."

Când temperaturile scad, moleculele din apa lichidă, care în mod normal se învârt și trec una pe lângă alta, pierd energie și încetinesc. Odată ce pierd suficientă energie, se oprește, se orientează pentru a evita repulsiile și pentru a maximiza atracțiile și vibrează în loc, formând rețeaua cristalină de molecule de apă pe care o numim gheață.

Când apa lichidă este complet pură. , gheața poate să nu se formeze până când temperatura scade la –51 de grade Fahrenheit; aceasta se numește suprarăcire. Dar atunci când chiar și cele mai mici impurități - funingine, bacterii sau chiar anumite proteine ​​- sunt prezente în apă, cristalele de gheață se pot forma mai ușor pe suprafețe, ducând la formarea de gheață la temperaturi mai calde de –51 de grade Fahrenheit.

Decenii de cercetare au dezvăluit tendințe în modul în care formele și structurile diferitelor suprafețe afectează punctul de îngheț al apei. Într-un studiu anterior asupra proteinelor care nucleează gheața din bacterii, Molinero și echipa ei au descoperit că distanțele dintre grupurile de proteine ​​ar putea avea un impact asupra temperaturii la care s-a format gheața.

„Au existat distanțe foarte favorabile pentru formarea gheții și distanțele care erau complet opuse”, spune Molinero.

Tendințe similare au fost observate pentru alte suprafețe, dar nu s-a găsit nicio explicație matematică.

„Oamenii deja au avut înainte. un sentiment de „Oh, poate o suprafață va inhiba sau promova nuclearea gheții”, dar nu există nicio modalitate de a explica sau de a prezice ceea ce au observat experimental”, spune Yuqing Qiu, un postdoc, care prezintă lucrările la întâlnire. Atât Qiu, cât și Molinero au efectuat această cercetare la Universitatea din Utah, deși Qiu lucrează acum la Universitatea din Chicago.

Pentru a aborda această lacună, Molinero, Qiu și echipa au adunat sute de măsurători raportate anterior despre modul în care unghiurile dintre denivelările microscopice de pe o suprafață au afectat temperatura de îngheț a apei. Apoi au testat modele teoretice pe baza datelor. Ei au folosit modelele pentru a lua în considerare factorii care ar încuraja formarea cristalelor de gheață, cum ar fi cât de puternic se leagă apa de suprafețe și unghiurile dintre caracteristicile structurale.

În final, au identificat o expresie matematică care arată că anumite unghiuri între caracteristicile suprafeței facilitează adunarea și cristalizarea moleculelor de apă la temperaturi relativ mai calde. Ei spun că modelul lor poate ajuta la proiectarea materialelor cu suprafețe care ar face ca gheața să se formeze mai eficient, cu un aport minim de energie. Exemplele includ aparatele de fabricare a zăpezii sau a gheții sau suprafețele care sunt potrivite pentru însămânțarea norilor, care sunt folosite de mai multe state occidentale pentru a crește precipitațiile. De asemenea, ar putea ajuta la explicarea mai bună a modului în care particulele minerale minuscule din atmosferă ajută la formarea norilor prin nuclearea gheții, potențial făcând modelele meteorologice mai eficiente.

Cercetătorii intenționează să folosească acest model pentru a reveni la studiile lor despre proteinele care nucleează gheața din bacterii. Se crede că peste 200 de proteine ​​sunt proteine ​​care nucleează gheața, dar structurile lor nu sunt toate cunoscute. Cercetătorii speră să studieze proteinele cu structuri care au fost rezolvate cu instrumente AI, iar apoi vor modela modul în care agregatele acestor proteine ​​afectează formarea gheții.

(Fluierul)