La scoperta di un modo per sfruttare la ricristallizzazione del ghiaccio potrebbe consentire la fabbricazione di materiali altamente efficienti per una gamma di prodotti, compresi elettrodi porosi per batterie e pellicole conduttive trasparenti utilizzate per la fabbricazione di schermi tattili ed elettronica indossabile.

Un team di ricercatori dell'Università del Nebraska-Lincoln e dell'Accademia cinese delle scienze ha pubblicato i risultati sulla dinamica e la manipolazione della ricristallizzazione del ghiaccio nel numero del 2 maggio di Comunicazioni sulla natura .

La ricristallizzazione del ghiaccio è un processo onnipresente in natura. Si tratta di far crescere grandi cristalli di ghiaccio a scapito di quelli piccoli, determinando un aumento della dimensione media dei cristalli e una diminuzione del numero totale di cristalli.

Un gruppo di ricerca sperimentale presso l'istituto cinese ha collaborato a stretto contatto con Xiao Cheng Zeng, Professore universitario di chimica del rettore, e ricercatori sui materiali del Nebraska che studiano le proprietà dell'acqua e del ghiaccio da una prospettiva computazionale.

Il gruppo cinese sta ora utilizzando il ghiaccio ricristallizzato come modello per sintetizzare materiali bi e tridimensionali con diverse dimensioni dei pori. Insieme ai loro colleghi del Nebraska, il team ha appreso che gli ioni, che sono molecole caricate elettricamente, può essere utilizzato per fabbricare nuove strutture bi e tridimensionali su un'ampia gamma di altri materiali ospiti. Questi materiali host tecnologicamente importanti sono adatti per l'elettronica organica, catalisi e bioingegneria.

"La dimensione dei pori dei materiali porosi bidimensionali e tridimensionali prodotti con il nostro metodo può essere facilmente regolata, che è fondamentale per le applicazioni pratiche, " ha detto il capo progetto Jianjun Wang, professore all'Istituto di Chimica dell'Accademia Cinese delle Scienze.

"Il team teorico-sperimentale ci consente di risolvere il problema in modo bello perché ogni volta che prevediamo qualcosa, possono testarlo, " disse Zeng. "Poi possono restituire alcuni dei nuovi dati sperimentali, permettendoci di riconsiderare il nostro approccio alla modellazione."

La ricerca di Wang sulla ricristallizzazione specifica per gli ioni deriva dal progetto di crioconservazione cellulare del suo gruppo. Un motivo chiave per la morte cellulare durante la crioconservazione è perché i grandi cristalli di ghiaccio crescono a spese di quelli piccoli durante la ricristallizzazione.

Durante un esperimento, uno degli studenti di Wang ha scoperto per caso un effetto sorprendente. L'aggiunta di cloruro di sodio o soluzione salina tampone fosfato ha prodotto un effetto profondo ma precedentemente inesplorato sulla dimensione del ghiaccio ricristallizzato.

In ulteriori esperimenti, Il team di Wang ha rapidamente congelato acqua pura e tre soluzioni saline, poi lasciarli raffreddare a temperature più elevate. Hanno scoperto che gli ioni del fluoro di sodio producevano i più piccoli cristalli di ghiaccio. Il bromo di sodio produce cristalli più grandi. Quelli con iodio di sodio hanno prodotto i cristalli più grandi, che superavano anche quelli prodotti dall'acqua pura.

Il team del Nebraska ha condotto simulazioni di dinamica molecolare presso l'Holland Computing Center e il Nebraska Cluster for Computational Chemistry per comprendere meglio come il fluoro, gli ioni iodio e bromo influenzano la ricristallizzazione del ghiaccio.

"Quello che troviamo è che il fluoro non rimane intrappolato nel ghiaccio, considerando che lo iodio permette che ciò accada, e in una certa misura anche il bromo permette che ciò accada, " ha detto Zeng. "Puoi usare gli ioni per controllare il ghiaccio."

I ricercatori hanno scoperto che potevano regolare la dimensione dei grani di ghiaccio da circa 27 micron – circa la metà delle dimensioni di un capello umano – a 277 micron.