Команда исследователей разработала теоретическую модель, объясняющую, как конкретные структурные детали на поверхностях влияют на температуру замерзания воды, открывая путь к прогрессу в разработке материалов для образования льда и улучшенному прогнозированию погоды. Фото: SciTechDaily.com
Исследования представляют математическую модель зарождения льда, показывающую, как углы поверхности влияют на температуру замерзания воды, и ее можно применять для создания снега и засева облаков.
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 32 градуса. Фаренгейт. Но это происходит из-за зародышеобразования 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.
Результаты исследований и их значение
Исследователи представили свои результаты на весеннем собрании Американского химического общества (ACS). ACS Spring 2024 — это гибридная встреча, которая пройдет виртуально и очно 17–21 марта; в нем представлено около 12 000 презентаций по ряду научных тем.
«Зарождение 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 не была разработана, и никто не сделал ничего количественного».
Заморозить воду может показаться простой задачей, но только не Юцин Цю и Валерии Молинеро. Изучая взаимосвязь между химией поверхности и геометрией, процесс создания льда или снега можно сделать более энергоэффективным, помогая создавать облака или заснеживать горы. Юйцин представит исследование в среду, 20 марта, на выставке ACS Spring 2024 в Новом Орлеане.
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.
Достижения в изучении нуклеации льда
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, очень благоприятные для образования льда, и расстояния, совершенно противоположные», — говорит Молинеро.
Подобные тенденции наблюдались и для других поверхностей, но математического объяснения не было найдено. «Раньше у людей уже было ощущение: «О, может быть, 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 Чикагский университет.
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.
Будущие направления исследований нуклеации льда
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.
Заголовок
Самые мощные генераторы снега
Абстрактный
Некоторые организмы выработали белки, которые контролируют образование льда. Бактерии, образующие ледяные зародыши, являются наиболее мощными зародышеобразователями льда в биосфере и атмосфере, способствуют оледенению облаков и осадкам и обычно используются для синтетического производства снега. Эти бактерии имеют белки в своей внешней мембране, которые способны образовывать лед при температуре до –1 °C. В этой презентации будут обсуждаться наши попытки выяснить механизмы, с помощью которых бактериальные белки и другие мощные зародышеобразователи льда способствуют кристаллизации воды, что делает их такими выдающимися и можем ли мы разработать материалы, которые превзойдут их.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и стипендией Йена Института биофизической динамики Чикагского университета.