Het ontdekken van een manier om herkristallisatie van ijs te benutten, zou de fabricage van zeer efficiënte materialen voor een reeks producten mogelijk maken, waaronder poreuze elektroden voor batterijen en transparante geleidende films die worden gebruikt om aanraakschermen en draagbare elektronica te vervaardigen.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en de Chinese Academie van Wetenschappen publiceerde in het nummer van 2 mei van 2 mei bevindingen over de dynamiek en manipulatie van herkristallisatie van ijs. Natuurcommunicatie .

Herkristallisatie van ijs is een alomtegenwoordig proces in de natuur. Het gaat om het kweken van grote ijskristallen ten koste van kleine, wat leidt tot een toename van de gemiddelde kristalgrootte en een afname van het totale aantal kristallen.

Een experimentele onderzoeksgroep bij de Chinese instelling heeft nauw samengewerkt met Xiao Cheng Zeng, Chancellor's universiteitshoogleraar chemie, en Nebraska-materiaalonderzoekers die de eigenschappen van water en ijs vanuit een computationeel perspectief onderzoeken.

De Chinese groep gebruikt nu herkristalliseerd ijs als sjabloon voor het synthetiseren van twee- en driedimensionale materialen met verschillende poriegroottes. Samen met hun collega's in Nebraska, het team heeft geleerd dat ionen, die elektrisch geladen moleculen zijn, kan worden gebruikt om nieuwe twee- en driedimensionale structuren te fabriceren op een breed scala aan andere gastheermaterialen. Deze technologisch belangrijke gastheermaterialen zijn geschikt voor organische elektronica, katalyse en bio-engineering.

"De poriegrootte van tweedimensionale en driedimensionale poreuze materialen die met onze methode zijn geproduceerd, kan eenvoudig worden aangepast, wat essentieel is voor praktische toepassingen, " zei projectleider Jianjun Wang, een professor aan het Instituut voor Chemie van de Chinese Academie van Wetenschappen.

"Het experimenteel-theoretische team stelt ons in staat om het probleem prachtig uit te werken, want wanneer we iets voorspellen, ze kunnen het testen, Zeng zei. "Dan kunnen ze enkele van de nieuwe experimentele gegevens terugkoppelen, waardoor we onze modelleringsaanpak kunnen heroverwegen."

Wang's ion-specifieke herkristallisatie-onderzoek komt voort uit het celcryopreservatieproject van zijn groep. Een belangrijke reden voor celdood tijdens cryopreservatie is dat tijdens herkristallisatie grote ijskristallen groeien ten koste van kleine.

Tijdens een experiment, een van de studenten van Wang ontdekte bij toeval een opvallend effect. Het toevoegen van natriumchloride- of fosfaatbufferzoutoplossing produceerde een diepgaand maar voorheen onontgonnen effect op de grootte van herkristalliseerd ijs.

Bij verdere experimenten, Wang's team bevroor snel zuiver water en drie zoutoplossingen, liet ze vervolgens afkoelen bij hogere temperaturen. Ze ontdekten dat ionen van natriumfluor de kleinste ijskristallen produceerden. Natriumbroom produceerde grotere kristallen. Die met natriumjodium produceerden de grootste kristallen, die zelfs die van zuiver water te groot waren.

Het Nebraska-team voerde moleculaire dynamica-simulaties uit in het Holland Computing Center en de Nebraska Cluster for Computational Chemistry om beter te begrijpen hoe fluor, jodium- en broomionen beïnvloeden de herkristallisatie van ijs.

"Wat we ontdekken is dat fluor niet vast komt te zitten in het ijs, overwegende dat jodium dat mogelijk maakt, en tot op zekere hoogte laat broom dat ook toe, Zeng zei. 'Je kunt ionen gebruiken om het ijs onder controle te houden.'

De onderzoekers ontdekten dat ze de grootte van de ijskorrel konden afstemmen van ongeveer 27 micron - ongeveer de helft van de grootte van een mensenhaar - tot 277 micron.