Dalle formazioni nuvolose dall'aspetto astratto ai ruggiti delle macchine da neve sulle piste da sci, la trasformazione dell'acqua liquida in ghiaccio solido tocca molti aspetti della vita. Il punto di congelamento dell'acqua è generalmente accettato a 32 gradi Fahrenheit. Ma ciò è dovuto alla nucleazione del ghiaccio:le impurità presenti nell’acqua di tutti i giorni ne aumentano il punto di congelamento a questa temperatura. Ora i ricercatori svelano un modello teorico che mostra come dettagli strutturali specifici sulle superfici possono influenzare il punto di congelamento dell'acqua.
I ricercatori presenteranno i loro risultati alla riunione primaverile dell'American Chemical Society (ACS).
"La nucleazione del ghiaccio è uno dei fenomeni più comuni nell'atmosfera", afferma Valeria Molinero, professoressa di chimica fisica e dei materiali. "Negli anni '50 e '60, ci fu un aumento di interesse per la nucleazione del ghiaccio per controllare il tempo attraverso l'inseminazione delle nuvole e per altri obiettivi militari. Alcuni studi affrontavano il modo in cui le piccole forme promuovono la nucleazione del ghiaccio, ma la teoria non era sviluppata e nessuno ha fatto nulla quantitativo."
Quando le temperature scendono, le molecole dell’acqua liquida, che normalmente accelerano e si sfrecciano l’una contro l’altra, perdono energia e rallentano. Una volta che perdono abbastanza energia, si fermano, si orientano per evitare repulsioni e massimizzare le attrazioni, e vibrano sul posto, formando la rete cristallina di molecole d'acqua che chiamiamo ghiaccio.
Quando l'acqua liquida è completamente pura, il ghiaccio potrebbe non formarsi finché la temperatura non scende a -51 gradi Fahrenheit; questo è chiamato superraffreddamento. Ma quando nell'acqua sono presenti anche le più piccole impurità (fuliggine, batteri o anche particolari proteine), i cristalli di ghiaccio possono formarsi più facilmente sulle superfici, dando luogo alla formazione di ghiaccio a temperature superiori a -51 gradi Fahrenheit.
Decenni di ricerca hanno rivelato tendenze su come le forme e le strutture delle diverse superfici influenzano il punto di congelamento dell'acqua. In uno studio precedente sulle proteine che nucleano il ghiaccio all'interno dei batteri, Molinero e il suo team hanno scoperto che le distanze tra i gruppi di proteine potrebbero avere un impatto sulla temperatura alla quale si forma il ghiaccio.
"C'erano distanze molto favorevoli alla formazione del ghiaccio e distanze completamente opposte", spiega Molinero.
Tendenze simili erano state osservate per altre superfici, ma non era stata trovata alcuna spiegazione matematica.
"Le persone prima avevano già la sensazione di 'Oh, forse una superficie inibirà o promuoverà la nucleazione del ghiaccio', ma non c'era modo di spiegare o prevedere ciò che osservavano sperimentalmente", dice Yuqing Qiu, un postdoc, che presenta il lavoro all'incontro . Sia Qiu che Molinero hanno condotto questa ricerca presso l'Università dello Utah, anche se Qiu ora lavora presso l'Università di Chicago.
Per colmare questa lacuna, Molinero, Qiu e il team hanno raccolto centinaia di misurazioni precedentemente riportate su come gli angoli tra le protuberanze microscopiche su una superficie influenzavano la temperatura di congelamento dell'acqua. Hanno poi testato i modelli teorici rispetto ai dati. Hanno utilizzato i modelli per considerare i fattori che potrebbero incoraggiare la formazione di cristalli di ghiaccio, come la forza con cui l'acqua si lega alle superfici e gli angoli tra le caratteristiche strutturali.
Alla fine, hanno identificato un’espressione matematica che mostra che determinati angoli tra le caratteristiche della superficie rendono più facile per le molecole d’acqua raccogliersi e cristallizzarsi a temperature relativamente più calde. Dicono che il loro modello può aiutare a progettare materiali con superfici che permetterebbero la formazione del ghiaccio in modo più efficiente con un apporto energetico minimo. Gli esempi includono i produttori di neve o ghiaccio, o superfici adatte alla semina delle nuvole, utilizzata da diversi stati occidentali per aumentare le precipitazioni. Potrebbe anche aiutare a spiegare meglio come minuscole particelle minerali nell'atmosfera contribuiscono a creare nuvole attraverso la nucleazione del ghiaccio, rendendo potenzialmente più efficaci i modelli meteorologici.
I ricercatori intendono utilizzare questo modello per tornare ai loro studi sulle proteine nucleanti del ghiaccio nei batteri. Si ritiene che più di 200 proteine siano proteine nucleanti del ghiaccio, ma le loro strutture non sono tutte note. I ricercatori sperano di studiare proteine con strutture che sono state risolte con strumenti di intelligenza artificiale, e poi di creare un modello di come gli aggregati di tali proteine influenzano la formazione del ghiaccio.
Fornito dall'American Chemical Society
