Un nuovo studio che esamina come si forma il ghiaccio dall'acqua pura ha scoperto che la geometria della superficie su cui si trova l'acqua può avere un effetto sul fatto che si congeli o meno, suggerendo che la geometria della superficie gioca un ruolo importante nella formazione del ghiaccio. Una maggiore comprensione di come le forme di ghiaccio potrebbero avere implicazioni che vanno dalla sicurezza dei trasporti alla produzione alimentare.

Il ghiaccio si forma tipicamente intorno a particelle come polline o polvere, ma l'acqua ultrapura può rimanere liquida fino a -40 gradi Celsius. A causa di ciò, la superficie su cui si trova l'acqua ultrapura può avere un grande impatto sulla formazione di cristalli di ghiaccio. Tuttavia, non esiste una teoria di successo per prevedere quali materiali sono bravi a formare il ghiaccio.

Utilizzando una simulazione al computer, i ricercatori della George Washington University hanno scoperto che il ghiaccio si forma in modo più efficiente a forma di cuneo contenente angoli di 45 o 70 gradi, probabilmente perché consente alle molecole d'acqua di allinearsi in un modo che aiuta a formare un reticolo di ghiaccio. Perciò, una superficie strutturata con questi piccoli angoli si congelerebbe prima di una superficie con una geometria diversa. Prima di questa svolta, nessun altro modello è stato in grado di aiutare a prevedere quale geometria della superficie potrebbe innescare la formazione di ghiaccio.

"Non è stato molto sorprendente per noi vedere la formazione del ghiaccio accelerata da un cuneo di 70 gradi, perché corrisponde perfettamente all'ordine cristallino del ghiaccio, " disse Tianshu Li, professore associato di ingegneria civile e ambientale e corrispondente autore dell'articolo. "La vera sorpresa è stata quando abbiamo scoperto che un cuneo di 45 gradi è quasi altrettanto efficace nel catalizzare la formazione di ghiaccio".

Il team di ricerca ha scoperto che un cuneo di 45 gradi promuove la formazione di un cristallo di ghiaccio imperfetto contenente qualcosa chiamato difetto topologico. I difetti topologici nei materiali sono aree irregolari in una struttura altrimenti perfettamente uniforme.

"Una volta che un tale difetto si è formato, può facilitare la crescita di ghiaccio regolare intorno ad esso, " ha detto il dottor Li.

Questa è la prima volta che uno studio fornisce prove teoriche chiare sul ruolo esplicito dei difetti nella formazione dei cristalli.

Mentre la formazione del ghiaccio è un fenomeno quotidiano, il processo di congelamento è poco conosciuto. I ricercatori sperano di contribuire a una migliore comprensione della formazione e della crescita dei cristalli di ghiaccio applicando la ricerca dai modelli informatici ai laboratori fisici per ulteriori test.

Comprendendo come controllare se i cristalli di ghiaccio si formano o crescono, i ricercatori hanno il potenziale per influenzare qualsiasi cosa, dalle superfici degli aeroplani che bloccano la crescita del ghiaccio al gelato dal sapore migliore.

"Questa scoperta ha anche applicazioni oltre la formazione di ghiaccio, " ha detto Li. "Poiché la formazione dei cristalli è un processo importante in altri campi, il nostro studio può anche influenzare la produzione di nuovi materiali e la cristallizzazione dei prodotti farmaceutici".