Hoe ontstaat ijs? Verrassend genoeg, de wetenschap heeft die vraag niet volledig beantwoord. Verschillen in ijsvorming op verschillende oppervlakken zijn nog steeds niet goed begrepen, maar onderzoekers zullen vandaag hun bevinding uitleggen dat de rangschikkingen die oppervlakte-atomen opleggen aan watermoleculen de sleutel zijn. Het werk heeft gevolgen voor het voorkomen van ijsvorming waar dat niet gewenst is (ruiten, elektriciteitsleidingen) en voor het bevorderen van ijsvorming waar het is (bewaring van voedsel of organen). De resultaten kunnen ook helpen bij het verbeteren van de weersvoorspelling.

De onderzoekers zullen hun bevindingen vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"We ontdekten dat als we kijken naar de vloeibare waterstructuur waar het in contact komt met het oppervlak, we kunnen beginnen te begrijpen en te voorspellen of een bepaald oppervlak ijsvorming zal bevorderen of remmen, " zegt Sapna Sarupria, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project. "We werken samen met medewerkers om deze informatie te gebruiken om de rol van ijs bij het weer beter te begrijpen en om oppervlakken te ontwerpen die goed of slecht zijn voor ijsvorming. Zou het niet geweldig zijn om een ​​voorruit te hebben die geen ijs laat kleven in de winter?"

Het team van Sarupria gebruikt computers om moleculaire simulaties van oppervlakken en ijsvorming te bestuderen. In tegenstelling tot de rommeligere echte wereld, deze gecontroleerde setting geeft haar de mogelijkheid om de impact van een verandering in slechts één oppervlakteparameter - of zelfs maar één atoom - tegelijk te onderzoeken. De onderzoekers correleren vervolgens de bevindingen met die van experimentatoren die werken met materialen uit de echte wereld, waaronder zilverjodide of mineralen zoals mica en kaoliniet. Zilverjodide is zo effectief in het bevorderen van ijsvorming dat het wordt gebruikt voor het zaaien van wolken om regenval tijdens droogtes te stimuleren.

ijsvorming, of kiemvorming, treedt op wanneer vloeibaar water een faseovergang ondergaat naar vast water. Water kan ook andere faseovergangen ondergaan, zoals het veranderen van ijs terug naar een vloeistof, of te dampen. Als deze overgangen in wolken plaatsvinden, ze kunnen regendruppels en sneeuw vormen. "Als je het weer wilt voorspellen, je moet weten hoe deze faseovergangen gebeuren, en dat is in wezen een open vraag, " zegt Sarupria, die aan de Clemson University werkt. Vaak treden deze veranderingen op in aanwezigheid van deeltjes zoals mineraal stof in de atmosfeer. Het type en de hoeveelheid stof bepalen het soort neerslag dat optreedt. "We proberen te begrijpen hoe verschillende oppervlakken van stofdeeltjes de overgang van water van de vloeibare naar de vaste fase in wolken beïnvloeden, " ze zegt.

Goede oude H ₂ O is precies dat:een zuurstof gebonden aan twee waterstofatomen. Die waterstofatomen worden door sommige oppervlakken meer aangetrokken dan andere, en dat beïnvloedt hoe watermoleculen zich op een oppervlak oriënteren. Hun rangschikking met betrekking tot oppervlakte-atomen op stofdeeltjes en met betrekking tot andere watermoleculen is eigenlijk de belangrijkste factor bij ijsvorming, Sarupria's team ontdekt. Deze bevinding verklaart ook waarom zilverjodide zo'n goede kiemvormer is. Eerst, de oppervlakte-atomen zijn ingedeeld op een manier die vergelijkbaar is met de rangschikking van watermoleculen in ijs, dus het is een effectieve sjabloon. Tweede, de positieve lading van het zilverion en de negatieve lading van het jodium oriënteren de waterstof en zuurstof van vloeibaar water op de juiste manier om een ​​ijsstructuur te vormen. "De afstanden tussen de atomen, en deze regeling van de kosten, zijn erg belangrijk voor zilverjodide als kiemvormer, ' zegt Sarupria.

De onderzoekers werken nu samen met experimentatoren die atmosferische verschijnselen bestuderen om hen te helpen hun resultaten te verklaren. "Als we deze verschijnselen kunnen modelleren, kunnen we misschien de rol van ijs bij het weer beter begrijpen, " ze legt uit.

Sarupria past haar kennis van waterstructuur ook toe om oppervlakken te ontwerpen die ijsvorming kunnen bevorderen of remmen. Bijvoorbeeld, om schade tijdens voedselopslag of cryopreservatie van organen te voorkomen, iemand in de toekomst zou de nieuwe kennis kunnen gebruiken om ijs te vormen bij temperaturen dichter bij 32 F, het vriespunt van water, in plaats van bij lagere temperaturen. Dit kan door het oppervlak van de verpakking aan te passen of door moleculen toe te voegen aan de oplossing voor cryopreservatie. "In andere gevallen, zoals windschermen en elektriciteitsleidingen, je wilt misschien niet dat er ijs wordt gevormd, " zegt Sarupria. "Dus we proberen uit te vinden hoe we coatings of oppervlakken kunnen maken die geen ijs laten vormen, of als het zich vormt, dat laat het niet plakken." Haar team probeert ook te begrijpen hoe natuurlijke antivries-eiwitten vissen en andere organismen helpen overleven in ijskoude omstandigheden. "Uiteindelijk, of het nu deze eiwitten of stofdeeltjes zijn, het komt allemaal neer op hoe ze de waterstructuur beïnvloeden, " zegt ze. "We willen deze informatie gebruiken om een ​​parameter te creëren die ons kan helpen om oppervlakken snel te screenen op hun vermogen om ijs te vormen."