Grote wetenschap komt voort uit nieuwsgierigheid en hard werken. In dit geval, het begon allemaal met een kapotte vriezer.

Atsuko Kobayashi (MS '91) en Caltech-professor Joseph Kirschvink (BS, MS '75) - een man-en-vrouw-team van onderzoekers die hun tijd verdelen tussen Japan en de VS - keerden terug naar hun huis om te ontdekken dat hun vriezer op een bepaald moment tijdens hun afwezigheid was overleden.

Tijdens het winkelen voor een nieuwe, Kobayashi zag een advertentie voor een speciaal type vriezer die magnetische velden gebruikt om voedsel verser te houden door ze te "onderkoelen". Ze kocht het niet, maar ze wilde weten waarom onderkoeling bevroren voedsel zou kunnen verbeteren en hoe magnetische velden onderkoeling zouden kunnen veroorzaken.

Wanneer gekoeld onder 0 graden Celsius, watermoleculen beginnen ijskristallen te vormen overal waar mineralen of andere vaste stoffen in het water zijn gesuspendeerd - wat bekend staat als nucleatieplaatsen. Volledig zuiver water, ontbrekende nucleatieplaatsen, kan ver onder het gebruikelijke vriespunt worden gekoeld en toch een vloeistof blijven - een proces dat onderkoeling wordt genoemd.

Onderkoeling heeft commerciële voordelen. Inderdaad, zonder noodzakelijkerwijs de mechanismen achter waarom ze werken te kennen, Japanse vissers gebruiken de magnetisch gestuurde diepvriezers om vis over lange afstanden naar de markt te vervoeren. De behandeling is bedoeld om de cellulaire schade in het vlees van de vissen te verminderen, de smaak en textuur intact te houden. De vis wordt op de concurrerende vismarkt vaak verkocht tegen prijzen die vergelijkbaar zijn met die van vers gevangen soorten.

"Als je water onderkoelt voordat je het bevriest, het resulterende ijs zet niet zo veel uit in volume als gewoon ijs omdat het een andere kristallijne structuur aanneemt. Als u weefsels invriest, die water in zich hebben, minder uitzetting betekent minder schade aan cellen, " zegt Kobayashi. Het proces biedt ook wetenschappelijke voordelen. Als elektronenmicroscopist, Kobayashi moet vaak biologische weefsels bevriezen voordat hij er afbeeldingen van kan maken. Een van haar belangrijkste doelen was het vinden van manieren om biologisch weefsel te bevriezen en tegelijkertijd de schade veroorzaakt door de vorming van ijskristallen te minimaliseren.

"De vraag was waarom zouden magnetische velden enig effect hebben op de vraag of ongezuiverd water, zoals het water in cellen, onderkoeld kan zijn?" vraagt ​​Kobayashi, die senior onderzoeker is aan het Earth-Life Science Institute van het Tokyo Institute of Technology en bezoeker in geologie en biologie bij Caltech.

Tijdens het onderzoeken van mineralen die in staat zijn tot ijskiemvorming, ze had een besef:het antwoord zou in magnetiet kunnen liggen, een natuurlijk voorkomende verbinding van ijzer en zuurstof die magnetisch is.

Het onderzoeksteam van Kobayashi en Kirschvink heeft lang magnetiet bestudeerd. Kobayashi was de eerste die erin slaagde nanokristallen van biologisch magnetiet in het menselijk brein te extraheren en in beeld te brengen. en Kirschvink, de Nico en Marilyn Van Wingen hoogleraar Geobiologie aan Caltech, heeft de afgelopen 30 jaar onderzocht welke rol biologisch magnetiet zou kunnen spelen bij magnetoreceptie - het vermogen van levende wezens om magnetische velden waar te nemen

Hun werk bouwt voort op het onderzoek van Heinz Lowenstam, een paleo-ecoloog die in 1952 bij Caltech kwam werken. Hoewel het algemeen bekend was dat dieren harde mineralen in tanden en botten konden genereren, Lowenstam deed in 1962 de ontdekking dat de tanden van chitons (een soort zeeweekdier) waren afgedekt met magnetiet. Magnetiet is het moeilijkste mineraal dat een dier kan maken, en het werd later ontdekt als een biologisch neerslag in wezens zoals bacteriën, bijen, vogels, en zoogdieren, inclusief mensen.

Kobayashi heeft aangetoond dat sporen van magnetietdeeltjes die aan water worden toegevoegd een enorm effect hebben op de vriestemperatuur. Een eerder artikel van het onderzoeksteam van Kobayashi/Kirschvink toonde aan dat een paar delen per miljard magnetiet toegevoegd aan ultrapuur water - water zonder enige andere kiemlocatie - onderkoeling bijna volledig verhinderde. Dieper graven, ze ontdekten dat ijs gemakkelijk kristalliseert op het oppervlak van magnetietdeeltjes bij temperaturen net onder 0 graden Celsius.

Redeneren dat elke kleine verstoring aan het oppervlak van het magnetiet dit proces moet verstoren en bevriezing moet voorkomen, ze ontwierpen vervolgens een reeks experimenten met roterende magnetische velden die ongeveer 20 keer sterker zijn dan het magnetische veld van de aarde - sterk genoeg om de magnetietmoleculen te laten schudden. Door de magnetietmoleculen constant in beweging te houden, ze verhinderden de vorming van ijs op hun oppervlak en waren in staat om met magnetiet geïmpregneerd water bijna net zo goed te koelen als ultrapuur water. Dit werkte zelfs in twee representatieve weefselsoorten:selderij (voor groenten) en koeienspier (voor vlees). Door de magnetietmoleculen in de cellen van de plantaardige en dierlijke weefsels te laten schudden, ze konden ze onderkoelen en uiteindelijk bevriezen met minder schade aan de weefsels.

"De bevinding bevestigt de Japanse vissers die deze technologie al jaren gebruiken en bevestigt dat magnetiet de onderliggende oorzaak is van de vorming van schadelijk ijs in weefsels, ", zegt Kobayashi. Het suggereert ook een manier om de honger in de wereld aan te pakken, ze zegt. Recente schattingen van de National Resources Defense Council geven aan dat 40 procent van de menselijke voedselvoorziening verloren gaat tussen de boerderij en de eettafel, en dat vorst- en vriesschade verantwoordelijk is voor een deel van dit verlies. "Als die schade kan worden beperkt door de gecontroleerde toepassing van magnetische velden, meer voedsel zou wereldwijd op tafels kunnen komen, het verminderen van de brandstof, kunstmest, en water nodig voor moderne landbouw, " zegt Kobayashi. "De reden begrijpen waarom beschadiging van ijs in weefsels wanneer ze bevriezen, ook zou kunnen leiden tot verbeterde technieken voor cryogene opslag van levende eieren, sperma, embryo's, en misschien zelfs kleine dieren."

Voor Kirschvink, deze bevinding is nog maar het begin. Magnetiet kan een primaire oorzaak zijn van ijskiemvorming in de natuur, hij zegt. "Klimaatwetenschappers proberen al tientallen jaren de bron van ijskiemvorming vast te stellen, zodat we atmosferische circulatiemodellen kunnen verbeteren, wolken zaaien.

De studie, getiteld "Magnetic Control of heterogene Ice Nucleation with Nanophase Magnetite:Biophysical and Agricultural Implications, " verschijnt online voorafgaand aan publicatie in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 7 mei