Bepaalde moleculen binden stevig aan het oppervlak van ijs, het creëren van een gebogen interface die verdere ijsgroei kan stoppen. Sommige insecten, planten, en in zee levende wezens bevatten eiwitmoleculen van dit type die werken als natuurlijke antivriesmiddelen, waardoor de organismen bestand zijn tegen temperaturen onder het vriespunt.

In The Journal of Chemical Physics , wetenschappers rapporteren een computationele methode om ijsbinding te modelleren met behulp van een vertekenende techniek om de vorming van ijs in de simulatie te stimuleren.

Antivries-eiwitten werken door zich te binden aan een bestaand grensvlak tussen ijs en vloeibaar water. Het resulterende gebogen oppervlak stopt de groei van ijs. Er zijn ook ijsvormende moleculen die de vorming van ijs uit onderkoeld vloeibaar water katalyseren.

Beide fenomenen vereisen begrip van de manier waarop moleculen aan ijs binden. Het begrijpen van ijsbinding is belangrijk voor uiteenlopende toepassingen zoals cryopreservatie van organen en klimaatmodellering, maar tot op heden bestonden er geen rekenmethoden om dit fenomeen efficiënt te modelleren.

"Het centrale voordeel van de ijs-vooringenomen simulatie-aanpak is dat het tegelijkertijd het ijsbindende oppervlak identificeert, het gezicht van ijs waaraan het zich bindt, en de wijze van binden, ", zei auteur Valeria Molinero.

De onderzoekers hebben twee soorten modellen gemaakt. Eén type is een volledig atoommodel dat alle atomen in de vloeibare en ijsfasen van water bevat, evenals in het antivries-type molecuul. Het andere type bestudeerd model wordt een grofkorrelig model genoemd, die rekenkracht bespaart door atomen samen te voegen tot eenvoudigere structuren.

De studie keek naar een aantal moleculen die ijs binden, inclusief polyvinylalcohol, een synthetische ijsherkristallisatieremmer, evenals natuurlijke antivries-eiwitten, zoals een van de kever Tenebrio molitor. Eiwitten vormen een simulatie-uitdaging, omdat ze zeer kleine oppervlakken hebben die ijs binden. Dit beperkt de grootte van het ijskristal dat ze kunnen binden.

Sommige systemen hebben meer dan één locatie waar ijs kan binden. Dit is het geval voor het natuurlijke antivries-eiwit in de zee-ijsdiatomeeën Frailariopsis cylindrus. Om te bepalen of een dergelijk eiwit meer dan één ijsbindend oppervlak heeft, IBS, de onderzoekers ontwikkelden een methode die ze 'cap and repeat' noemden.

"Bij deze strategie we hebben eerst een bevooroordeelde simulatie uitgevoerd om een ​​IBS te detecteren. Vervolgens, we sluiten die IBS af om ijsvorming erop te voorkomen en voeren een tweede biassimulatie uit om uit te zoeken of er zich ijs vormt op andere locaties, ' zei Molino.

De in dit onderzoek ontwikkelde methoden zijn veelbelovend voor een aantal toepassingen, inclusief het vinden van moleculen om bevroren weefsels te beschermen tijdens opslag, het bevorderen van het begrip van natuurlijke antivries-eiwitten, en in klimaatmodellen, waar ijskiemvorming in de atmosfeer een sleutelrol speelt.