Il ghiaccio è onnipresente e influenza profondamente la nostra vita quotidiana, influenzando aree come il cambiamento climatico, trasporto, e consumo di energia. Comprendere il processo di formazione del ghiaccio può rallentare la velocità con cui i ghiacciai si sciolgono e il livello del mare si alza e alleviare altri importanti problemi ambientali.

Poiché la formazione del ghiaccio è principalmente governata dalla nucleazione del ghiaccio seguita dalla crescita dei nuclei, gli scienziati hanno compiuto un grande sforzo per comprendere la termodinamica e la cinetica alla base dei processi di nucleazione. La nucleazione del ghiaccio può avvenire in due modi distinti:omogeneamente nell'acqua sfusa o eterogenea sulla superficie di un materiale solido, dove la nucleazione eterogenea del ghiaccio (HIN) è la modalità predominante di formazione del ghiaccio sulla terra. Però, a differenza della nucleazione omogenea del ghiaccio, le interazioni acqua-superficie presenti in HIN rendono il processo di nucleazione sensibile alle proprietà della superficie. Comprendere l'impatto delle superfici sul processo di nucleazione è un approccio promettente per prevedere e controllare meglio i processi di cristallizzazione.

Un modello comune utilizzato per quantificare la cinetica di nucleazione basata su un quadro termodinamico, teoria della nucleazione classica (CNT), suggerisce che le molecole d'acqua devono formare un nucleo di ghiaccio di dimensioni critiche prima che si verifichi un processo di cristallizzazione. La formazione del nucleo critico di ghiaccio è associata ad un'unica barriera di energia libera, che deve essere superato per innescare un'ulteriore crescita del ghiaccio. Però, negli anni, sia gli esperimenti che le simulazioni hanno rivelato che il CNT è spesso insufficiente per descrivere alcuni processi di nucleazione complessi. Di conseguenza, CNT è stato oggetto di immenso dibattito, e teorie di nucleazione non classiche sono state proposte in alternativa.

Diverso da CNT, che si basa sul superamento di un'unica barriera di energia libera, teorie di nucleazione non classiche suggeriscono che i processi di nucleazione consistono in due o più fasi separate da più barriere di energia libera. Sebbene le teorie di nucleazione non classiche possano essere un modello più sostenibile, non sono ben noti i meccanismi atomistici e le evoluzioni strutturali durante la formazione del nucleo nelle vie di nucleazione non classiche; e rimane una sfida per le tecniche sperimentali da svelare.

Ora, per la prima volta, un gruppo di ricercatori dell'HKUST guidati dal Prof. Xuhui Huang del Dipartimento di Chimica ha combinato i Markov State Models (MSM) - che modellano le dinamiche a lungo termine delle molecole chimiche - e la teoria del percorso di transizione (TPT) - che descrive il percorso di reazione di rari eventi—per chiarire i percorsi d'insieme di HIN. Gli MSM identificano stati intermedi di miscele di ghiaccio disordinate e confrontano percorsi paralleli (classici vs. non classici). Questo vantaggio ha aiutato a svelare i meccanismi sottostanti dei processi di nucleazione non classici e la coesistenza dei due percorsi.

Questi ricercatori mostrano che la miscelazione disordinata del ghiaccio stabilizza il nucleo critico e rende il percorso di nucleazione non classico accessibile quanto il percorso classico, il cui nucleo critico è costituito principalmente da potenziale ghiaccio energetico. Hanno anche scoperto che a temperature elevate, il processo di nucleazione preferisce procedere per via classica poiché i potenziali apporti energetici, che privilegiano il percorso classico, prevalere.

"Non solo il nostro lavoro scopre i meccanismi dei processi di nucleazione non classici, ma dimostra anche come la combinazione di MSM e TPT offra un potente framework per studiare le evoluzioni strutturali dei processi di nucleazione del ghiaccio, " ha detto il prof. Huang. "Ancora più importante, questo metodo può essere esteso ad altri processi di nucleazione dei cristalli che sono difficili da studiare, che aprirà nuove porte agli scienziati che tentano di prevedere e controllare i processi di cristallizzazione".

I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura . Il primo autore di questo lavoro:il Dr. Chu Li è un affiliato HKUST di lunga data che ha completato il suo dottorato di ricerca, e attualmente conduce la sua formazione post-dottorato presso HKUST.