In het hart van wolken bevinden zich ijskristallen. En in het hart van ijskristallen, vaak, zijn aerosoldeeltjes - stof in de atmosfeer waarop zich gemakkelijker ijs kan vormen dan in de open lucht.

Het is een beetje mysterieus hoe dit gebeurt, Hoewel, omdat ijskristallen geordende structuren van moleculen zijn, terwijl spuitbussen vaak ongeorganiseerde brokken zijn. Nieuw onderzoek door Valeria Molinero, voorname hoogleraar scheikunde, en Atanu K. Metya, nu bij het Indian Institute of Technology Patna, laat zien hoe kristallen van organische moleculen, een veelvoorkomend bestanddeel van spuitbussen, de klus kan klaren.

Het verhaal is meer dan dat, hoewel - het is een terugkeer naar onderzoek naar cloud seeding uit de Koude Oorlog en een onderzoek naar een eigenaardig geheugeneffect dat de tweede keer gemakkelijker ijs op deze kristallen ziet vormen.

Het onderzoek, gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research, wordt gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Throwback naar cloud seeding

Molinero's onderzoek is gericht op hoe ijs zich vormt, met name het proces van kiemvorming, dat is het begin van de vorming van ijskristallen. Onder de juiste omstandigheden, watermoleculen kunnen zelf ijs vormen. Maar vaak een ander materiaal, een nucleant genoemd, kan het proces op weg helpen.

Na verschillende onderzoeken naar de manieren waarop eiwitten kunnen helpen bij het vormen van ijs, Molinero en Metya richtten hun aandacht op organische ijskiemstoffen (zoals hier gebruikt, "organisch" betekent organische verbindingen die koolstof bevatten) omdat ze vergelijkbaar zijn met de ijsproducerende eiwitten en worden aangetroffen in aerosolen in de lucht.

Maar een overzicht van de wetenschappelijke literatuur wees uit dat de artikelen over ijskiemvorming door organische verbindingen uit de jaren vijftig en zestig kwamen, met zeer weinig vervolgwerk daarna tot voor kort.

"Dat maakte me heel nieuwsgierig, "Molinero zegt, "Omdat er nu veel belangstelling is voor organische aerosolen en of en hoe ze de vorming van ijs in wolken bevorderen, maar al deze nieuwe literatuur leek los te staan ​​van deze vroege fundamentele studies van organische ijskiemstoffen."

Aanvullend onderzoek onthulde dat het vroege werk aan organische nucleanten van ijs gerelateerd was aan de studie van cloud seeding, een naoorlogse onderzoekslijn naar hoe deeltjes (voornamelijk zilverjodide) in de atmosfeer kunnen worden geïntroduceerd om wolkenvorming en neerslag te stimuleren. Wetenschappers onderzochten de eigenschappen van organische verbindingen als nucleatiemiddelen voor ijs om te zien of ze kosteneffectieve alternatieven voor zilverjodide zouden kunnen zijn.

Maar het onderzoek naar cloud seeding stortte in de jaren zeventig in nadat politieke druk en angst voor weersveranderingen leidden tot een verbod op de praktijk in oorlogsvoering. Financiering en interesse in organische ijsnucleanten droogden tot voor kort op, toen klimaatonderzoek een hernieuwde interesse in de chemie van ijsvorming in de atmosfeer aanwakkerde.

"Er is de laatste jaren een groeiende belangstelling voor ijskiemvorming door organische aerosolen, maar geen verband met deze oude studies over organische kristallen, " zegt Molinero. "Dus, Ik dacht dat het tijd was om ze te "redden" in de moderne literatuur."

Helemaal klassiek gaan

Phloroglucinol is een van de organische nucleanten die in het midden van de jaren twintig zijn bestudeerd ^e eeuw. Het toonde belofte voor het beheersen van mist, maar minder voor cloud seeding. Molinero en Metya hebben floroglucinol opnieuw bekeken omdat het krachtig bleek te zijn bij ijskiemvorming in het laboratorium.

Een vraag die moet worden beantwoord, is of floroglucinol ijs nucleeert via klassieke of niet-klassieke processen. Als ijs vanzelf kiemt, zonder oppervlakken of andere moleculen, de enige hindernis die moet worden genomen, is het vormen van een stabiel kristalliet van ijs (slechts ongeveer 500 moleculen groot onder bepaalde omstandigheden) waarop andere moleculen kunnen bouwen om een ​​ijskristal te laten groeien. Dat is klassieke kiemvorming.

Niet-klassieke kiemvorming, met betrekking tot een nucleant oppervlak, treedt op wanneer een laag watermoleculen zich op het oppervlak verzamelt waarop andere watermoleculen zich kunnen organiseren in een kristalrooster. De hindernis die moet worden overwonnen bij niet-klassieke kiemvorming is de vorming van de monolaag.

Wat is van toepassing op floroglucinol? In de jaren 1960, onderzoeker L.F. Evans concludeerde dat het niet-klassiek was. "Ik ben nog steeds verbaasd dat hij het bestaan ​​van een monolaag kon afleiden en concludeerde dat het mechanisme niet-klassiek was uit experimenten met bevriezing als een functie van alleen de temperatuur!" zegt Molinero. Maar Molinero en Metya, met behulp van moleculaire simulaties van hoe ijs zich vormt, ontdekte dat het ingewikkelder is.

"We ontdekken dat de stap die echt beslist of water in ijs verandert of niet, niet de vorming van de monolaag is, maar de groei van een ijskristalliet bovenop, " zegt Molinero. "Dat maakt ijsvorming door organische stoffen klassiek, maar daarom niet minder fascinerend."

Vasthouden aan herinneringen aan ijs

De onderzoekers gebruikten hun simulatiemethoden ook om een ​​interessant geheugeneffect te onderzoeken dat eerder werd waargenomen bij organische en andere nucleanten. Wanneer ijs wordt gevormd, gesmolten en opnieuw gevormd met behulp van deze nucleanten, de tweede kristallisatieronde is effectiever dan de eerste. Er wordt aangenomen dat het ijs volledig smelt tussen kristallisaties, en onderzoekers hebben verschillende mogelijke verklaringen aangedragen.

Molinero en Metya ontdekten dat het geheugeneffect niet te wijten is aan het ijs dat het oppervlak van de kern verandert, noch aan de monolaag van water die na het smelten op het oppervlak van de kern blijft. In plaats daarvan, hun simulaties ondersteunden een verklaring waarbij spleten in de kern kleine hoeveelheden ijs kunnen vasthouden die smelten bij hogere temperaturen dan de rest van het ijs in het experiment. Als deze spleten grenzen aan een van de kristaloppervlakken die goed zijn in het vormen van ijs, dan is het op naar de races wanneer de tweede bevriezingsronde begint.

Iets in de lucht

Er zijn nog steeds andere mysteries:de studies van organische kristallen in het midden van de eeuw ontdekten dat bij hoge druk, ongeveer 1500 keer atmosferische druk, dat de kristallen net zo efficiënt zijn in het organiseren van watermoleculen in ijs als een ijskristal zelf. Waarom? Dat is de focus van Molinero's volgende experimenten.

Meer onmiddellijk, Hoewel, floroglucinol is een van nature voorkomende stof in de atmosfeer, dus alles wat onderzoekers erover en andere organische nucleanten kunnen leren, kan helpen bij het verklaren van het vermogen van aerosolen om ijs te vormen en de vorming van wolken en neerslag te reguleren.

"Het zou belangrijk zijn om te onderzoeken of kleine kristallieten van deze kristallijne ijskiemstoffen verantwoordelijk zijn voor het verbijsterende ijskiemvormingsvermogen van anders amorfe organische aerosolen, ' zegt Molinero.