Wetenschap
Nieuw model maakt duidelijk waarom water bevriest bij verschillende temperaturen
Van abstract ogende wolkenformaties tot het gebrul van sneeuwmachines op skipistes:de transformatie van vloeibaar water in vast ijs raakt vele facetten van het leven. Algemeen wordt aangenomen dat het vriespunt van water 32 graden Fahrenheit is. Maar dat komt door ijskiemvorming; onzuiverheden in alledaags water verhogen het vriespunt tot deze temperatuur. Nu onthullen onderzoekers een theoretisch model dat laat zien hoe specifieke structurele details op oppervlakken het vriespunt van water kunnen beïnvloeden.
De onderzoekers presenteren hun resultaten op de voorjaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).
"IJskiemvorming is een van de meest voorkomende verschijnselen in de atmosfeer", zegt Valeria Molinero, hoogleraar fysische en materiaalchemie. ‘In de jaren vijftig en zestig was er een enorme belangstelling voor ijskiemvorming om het weer onder controle te houden door middel van het zaaien van wolken en voor andere militaire doeleinden. Sommige onderzoeken gingen na hoe kleine vormen ijskiemvorming bevorderen, maar de theorie was onontwikkeld en niemand heeft iets gedaan. kwantitatief."
Wanneer de temperatuur daalt, verliezen de moleculen in vloeibaar water, die normaal gesproken rondsnellen en langs elkaar heen snellen, energie en vertragen ze. Zodra ze genoeg energie verliezen, komen ze tot stilstand, oriënteren zich om afstoting te vermijden en aantrekkingskracht te maximaliseren, en trillen op hun plaats, waardoor het kristallijne netwerk van watermoleculen ontstaat die we ijs noemen.
Wanneer vloeibaar water volledig zuiver is, kan er zich pas ijs vormen als de temperatuur daalt tot een ijskoude -51 graden Fahrenheit; dit wordt onderkoeling genoemd. Maar als zelfs de kleinste onzuiverheden (roet, bacteriën of zelfs bepaalde eiwitten) in water aanwezig zijn, kunnen zich gemakkelijker ijskristallen vormen op de oppervlakken, wat resulteert in ijsvorming bij temperaturen warmer dan -51 graden Fahrenheit.
Tientallen jaren van onderzoek hebben trends aan het licht gebracht in de manier waarop de vormen en structuren van verschillende oppervlakken het vriespunt van water beïnvloeden. In een eerder onderzoek naar ijskiemvormende eiwitten in bacteriën ontdekten Molinero en haar team dat de afstanden tussen de groepen eiwitten van invloed konden zijn op de temperatuur waarbij ijs werd gevormd.
"Er waren afstanden die heel gunstig waren voor ijsvorming, en afstanden die totaal tegenovergesteld waren", zegt Molinero.
Soortgelijke trends waren waargenomen voor andere oppervlakken, maar er was geen wiskundige verklaring voor gevonden.
"Mensen hadden voorheen al het gevoel van 'Oh, misschien zal een oppervlak de ijskiemvorming remmen of bevorderen', maar er was geen manier om uit te leggen of te voorspellen wat ze experimenteel hebben waargenomen", zegt Yuqing Qiu, een postdoc, die het werk tijdens de bijeenkomst presenteert. . Zowel Qiu als Molinero voerden dit onderzoek uit aan de Universiteit van Utah, hoewel Qiu nu aan de Universiteit van Chicago werkt.
Om deze kloof te dichten, verzamelden Molinero, Qiu en het team honderden eerder gerapporteerde metingen over hoe de hoeken tussen microscopisch kleine bultjes op een oppervlak de vriestemperatuur van water beïnvloedden. Vervolgens testten ze theoretische modellen aan de hand van de gegevens. Ze gebruikten de modellen om rekening te houden met factoren die de vorming van ijskristallen zouden bevorderen, zoals hoe sterk water zich aan de oppervlakken bindt en hoeken tussen structurele kenmerken.
Uiteindelijk identificeerden ze een wiskundige uitdrukking die aantoont dat bepaalde hoeken tussen oppervlaktekenmerken het voor watermoleculen gemakkelijker maken om zich te verzamelen en te kristalliseren bij relatief warmere temperaturen. Ze zeggen dat hun model kan helpen bij het ontwerpen van materialen met oppervlakken die ervoor zorgen dat ijs efficiënter ontstaat met minimale energie-input. Voorbeelden zijn onder meer sneeuw- of ijsmachines, of oppervlakken die geschikt zijn voor het zaaien van wolken, wat door verschillende westerse staten wordt gebruikt om de regenval te vergroten. Het zou ook kunnen helpen beter te verklaren hoe kleine minerale deeltjes in de atmosfeer wolken helpen vormen door ijskiemvorming, waardoor weermodellen mogelijk effectiever worden.
De onderzoekers zijn van plan dit model te gebruiken om terug te keren naar hun onderzoek naar ijskiemvormende eiwitten in bacteriën. Er wordt aangenomen dat meer dan 200 eiwitten ijskiemvormende eiwitten zijn, maar hun structuren zijn niet allemaal bekend. De onderzoekers hopen eiwitten te bestuderen met structuren die zijn opgelost met AI-tools, en vervolgens te modelleren hoe aggregaten van die eiwitten de ijsvorming beïnvloeden.