IJs is alomtegenwoordig en heeft een diepgaande invloed op ons dagelijks leven, gebieden als klimaatverandering, vervoer, en energieverbruik. Inzicht in het proces van ijsvorming kan de snelheid waarmee gletsjers smelten en de zeespiegel stijgen, vertragen en andere grote milieuproblemen verlichten.

Aangezien ijsvorming voornamelijk wordt bepaald door ijskiemvorming gevolgd door de groei van de kernen, wetenschappers hebben veel moeite gedaan om de thermodynamica en kinetiek achter de kiemvormingsprocessen te begrijpen. Nucleatie van ijs kan op twee verschillende manieren plaatsvinden:homogeen in bulkwater of heterogeen op het oppervlak van een vast materiaal, waar heterogene ijskiemvorming (HIN) de belangrijkste vorm van ijsvorming op aarde is. Echter, in tegenstelling tot homogene ijskiemvorming, de water-oppervlakte-interacties die aanwezig zijn in HIN maken het kiemvormingsproces gevoelig voor oppervlakte-eigenschappen. Begrijpen hoe oppervlakken het kiemvormingsproces beïnvloeden, is een veelbelovende benadering om kristallisatieprocessen beter te voorspellen en te beheersen.

Een algemeen model dat wordt gebruikt om nucleatiekinetiek te kwantificeren op basis van een thermodynamisch raamwerk, klassieke kiemvormingstheorie (CNT), suggereert dat watermoleculen een ijskern van kritische grootte moeten vormen voordat een kristallisatieproces plaatsvindt. De vorming van de kritieke ijskern wordt geassocieerd met een enkele vrije energiebarrière, die moet worden overwonnen om verdere ijsgroei te veroorzaken. Echter, door de jaren heen, zowel experimenten als simulaties hebben aangetoond dat CNT vaak onvoldoende is om sommige complexe kiemvormingsprocessen te beschrijven. Bijgevolg, CNT is een onderwerp van enorm debat geweest, en niet-klassieke kiemvormingstheorieën zijn als alternatief voorgesteld.

Anders dan CNT, die gebaseerd is op het overwinnen van een enkele vrije energiebarrière, niet-klassieke kiemvormingstheorieën suggereren dat kiemvormingsprocessen uit twee of meer stappen bestaan, gescheiden door meerdere vrije-energiebarrières. Hoewel niet-klassieke kiemvormingstheorieën een duurzamer model kunnen zijn, de atomistische mechanismen en structurele evoluties tijdens kernvorming in niet-klassieke nucleatieroutes zijn niet goed bekend; en blijft een uitdaging voor experimentele technieken om te ontrafelen.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een groep onderzoekers van HKUST onder leiding van prof. Xuhui Huang van de afdeling Scheikunde combineerde Markov State Models (MSM's) - die de dynamiek van chemische moleculen op lange termijn modelleren - en transitiepadtheorie (TPT) - die het reactiepad van zeldzame evenementen - om de ensemble-routes van HIN op te helderen. MSM's identificeren tussentoestanden van ongeordende ijsmengsels en vergelijken parallelle routes (klassiek versus niet-klassiek). Dit voordeel hielp bij het ontrafelen van de onderliggende mechanismen van niet-klassieke kiemvormingsprocessen en het naast elkaar bestaan ​​van de twee routes.

Deze onderzoekers laten zien dat de ongeordende vermenging van ijs de kritieke kern stabiliseert en de niet-klassieke nucleatieroute net zo toegankelijk maakt als de klassieke route, waarvan de kritieke kern voornamelijk bestaat uit potentieel energierijk ijs. Ze ontdekten ook dat bij verhoogde temperaturen, het kiemvormingsproces verloopt bij voorkeur via de klassieke route aangezien de potentiële energiebijdragen, die de voorkeur geven aan het klassieke pad, zegevieren.

"Ons werk onthult niet alleen de mechanismen van niet-klassieke kiemvormingsprocessen, maar het laat ook zien hoe de combinatie van MSM's en TPT een krachtig raamwerk biedt om structurele evoluties van ijskiemvormingsprocessen te bestuderen, " zei Prof. Huang. "Wat nog belangrijker is, deze methode kan worden uitgebreid tot andere kristalkiemvormingsprocessen die moeilijk te bestuderen zijn, wat nieuwe deuren zal openen voor wetenschappers die proberen kristallisatieprocessen te voorspellen en te beheersen."

De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie . De eerste auteur van dit werk:Dr. Chu Li is een lange tijd verbonden aan HKUST die zijn Ph.D., en voert momenteel zijn postdoctorale opleiding aan HKUST.