Come si forma il ghiaccio? Sorprendentemente, la scienza non ha risposto completamente a questa domanda. Le differenze nella formazione del ghiaccio su varie superfici non sono ancora ben comprese, ma i ricercatori oggi spiegheranno la loro scoperta che le disposizioni che gli atomi di superficie impongono alle molecole d'acqua sono la chiave. Il lavoro ha implicazioni per prevenire la formazione di ghiaccio dove non è voluto (parabrezza, linee elettriche) e per favorire la formazione di ghiaccio dove si trova (conservazione di alimenti o organi). I risultati potrebbero anche aiutare a migliorare le previsioni del tempo.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"Abbiamo scoperto che se osserviamo la struttura dell'acqua liquida nel punto in cui viene a contatto con la superficie, possiamo iniziare a capire e prevedere se una data superficie promuoverà o inibirà la formazione di ghiaccio, "dice Sapna Sarupria, dottorato di ricerca, ricercatore principale del progetto. "Stiamo lavorando con i collaboratori per utilizzare queste informazioni per comprendere meglio il ruolo del ghiaccio nelle condizioni meteorologiche e per progettare superfici che sono buone o cattive per la formazione del ghiaccio. Non sarebbe bello avere un parabrezza che non lascia attaccare il ghiaccio in inverno?"

Il team di Sarupria utilizza i computer per studiare simulazioni molecolari di superfici e formazione di ghiaccio. A differenza del mondo reale più disordinato, questa impostazione controllata le dà la possibilità di esaminare l'impatto di un cambiamento in un solo parametro di superficie, o anche solo un atomo, alla volta. I ricercatori quindi correlano i risultati con quelli degli sperimentalisti che lavorano con materiali del mondo reale, tra cui ioduro d'argento o minerali come mica e caolinite. Lo ioduro d'argento è così efficace nel promuovere la formazione di ghiaccio che viene utilizzato per la semina delle nuvole per stimolare le precipitazioni durante i periodi di siccità.

Formazione di ghiaccio, o nucleazione, si verifica quando l'acqua liquida subisce una transizione di fase in acqua solida. L'acqua può anche subire altre transizioni di fase, come cambiare da ghiaccio a liquido, o al vapore. Se queste transizioni avvengono nelle nuvole, possono formare gocce di pioggia e neve. "Quando vuoi prevedere il tempo, devi sapere come avvengono queste transizioni di fase, e questa è essenzialmente una domanda aperta, "dice Sarupria, che è alla Clemson University. Spesso questi cambiamenti si verificano in presenza di particelle come la polvere minerale nell'atmosfera. Il tipo e la quantità di polvere determinano il tipo di precipitazione che si verifica. "Stiamo cercando di capire come le diverse superfici delle particelle di polvere influenzino la transizione dell'acqua dalla fase liquida a quella solida nelle nuvole, " lei dice.

buon vecchio H ₂ O è proprio questo:un ossigeno legato a due idrogeni. Quegli idrogeni sono attratti da alcune superfici più di altre, e questo influenza il modo in cui le molecole d'acqua si orientano su una superficie. La loro disposizione rispetto agli atomi di superficie sulle particelle di polvere e in relazione ad altre molecole d'acqua è in realtà il fattore più importante nella formazione del ghiaccio, Scoperto il team di Sarupria. Questa scoperta spiega anche perché lo ioduro d'argento è un così buon nucleatore. Primo, i suoi atomi superficiali sono disposti in un modo simile alla disposizione delle molecole d'acqua nel ghiaccio, quindi è un modello efficace. Secondo, la carica positiva dello ione argento e la carica negativa dello iodio orientano gli idrogeni e gli ossigeni dell'acqua liquida nel modo giusto per formare una struttura di ghiaccio. "Le distanze tra gli atomi, e questa disposizione delle spese, sono molto importanti perché lo ioduro d'argento sia un nucleatore, "dice Sarupria.

I ricercatori stanno ora collaborando con sperimentalisti che studiano i fenomeni atmosferici per aiutarli a spiegare i loro risultati. "Se siamo in grado di modellare questi fenomeni, potremmo essere in grado di capire meglio il ruolo del ghiaccio nel tempo, " spiega.

Sarupria sta anche applicando la sua comprensione della struttura dell'acqua per progettare superfici che possono promuovere o inibire la formazione di ghiaccio. Per esempio, per prevenire danni durante la conservazione degli alimenti o la crioconservazione degli organi, qualcuno in futuro potrebbe usare la nuova conoscenza per formare ghiaccio a temperature più vicine a 32 F, il punto di congelamento dell'acqua, piuttosto che a temperature più basse. Questo potrebbe essere fatto modificando la superficie della confezione o aggiungendo molecole alla soluzione per la crioconservazione. "In altri casi, come parabrezza e linee elettriche, potresti non volere che si formi il ghiaccio, " Dice Sarupria. "Quindi stiamo cercando di capire come realizzare rivestimenti o superfici che non lascino formare il ghiaccio, o se si forma, questo non lo lascerà attaccare." Il suo team sta anche cercando di capire come le proteine ​​naturali antigelo aiutano i pesci e altri organismi a sopravvivere in condizioni di gelo. "In definitiva, che siano queste proteine ​​o particelle di polvere, tutto si riduce a come influenzano la struttura dell'acqua, " dice. "Vogliamo usare queste informazioni per creare un parametro che potrebbe aiutarci a schermare rapidamente le superfici per la loro capacità di nucleazione del ghiaccio".