Een nieuwe studie die onderzoekt hoe ijs zich vormt uit zuiver water, ontdekte dat de geometrie van het oppervlak waarop water zich bevindt, van invloed kan zijn op het al dan niet bevriezen ervan, wat suggereert dat oppervlaktegeometrie een belangrijke rol speelt bij ijsvorming. Meer begrip van hoe ijsvormen implicaties kunnen hebben, variërend van transportveiligheid tot voedselproductie.

IJs vormt zich meestal rond deeltjes zoals pollen of stof, maar ultrapuur water kan vloeibaar blijven tot -40 graden Celsius. Daarom, het oppervlak waarop ultrazuiver water zich bevindt, kan een grote invloed hebben op de vorming van ijskristallen. Er is echter geen succesvolle theorie geweest om te voorspellen welke materialen goed zijn in het vormen van ijs.

Met behulp van een computersimulatie, onderzoekers van de George Washington University ontdekten dat ijs het meest efficiënt wordt gevormd in een wigvorm met hoeken van 45 of 70 graden, waarschijnlijk omdat het ervoor zorgt dat watermoleculen op een manier kunnen worden uitgelijnd die helpt bij het vormen van een ijsrooster. Daarom, een oppervlak getextureerd met deze kleine hoeken zou bevriezen voor een oppervlak met een andere geometrie. Vóór deze doorbraak geen enkel ander model heeft kunnen helpen voorspellen welke oppervlaktegeometrie ijsvorming kan veroorzaken.

"Het was niet erg verrassend voor ons om te zien dat ijsvorming wordt versneld door een wig van 70 graden, omdat het perfect past bij de kristallijne ordening van ijs, " zei Tianshu Li, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek en corresponderende auteur van het artikel. "De echte verrassing kwam toen we ontdekten dat een wig van 45 graden bijna even effectief is in het katalyseren van ijsvorming."

Het onderzoeksteam ontdekte dat een wig van 45 graden de vorming van een onvolmaakt ijskristal bevordert dat iets bevat dat een topologisch defect wordt genoemd. Topologische defecten in materialen zijn onregelmatige gebieden in een verder perfect uniforme structuur.

"Zodra een dergelijk defect is gevormd, het kan de groei van gewoon ijs eromheen vergemakkelijken, ' zei dokter Li.

Dit is de eerste keer dat een studie duidelijk theoretisch bewijs heeft geleverd over de expliciete rol van defecten in kristalvorming.

Hoewel ijsvorming een dagelijks verschijnsel is, het invriesproces wordt slecht begrepen. De onderzoekers hopen bij te dragen aan een beter begrip van de vorming en groei van ijskristallen door het onderzoek van de computermodellen toe te passen op fysieke laboratoria voor verdere tests.

Door te begrijpen hoe u kunt bepalen of ijskristallen zich vormen of groeien, onderzoekers hebben het potentieel om alles te beïnvloeden, van vliegtuigoppervlakken die de ijsgroei stoppen tot beter smakend ijs.

"Deze bevinding heeft ook toepassingen die verder gaan dan ijsvorming, " zei Li. "Omdat kristalvorming een belangrijk proces is op andere gebieden, onze studie kan ook de productie van nieuwe materialen en de kristallisatie van geneesmiddelen beïnvloeden."