Alla nanoscala, l'acqua si congela in vari modi, e non tutti sono completamente compresi. Tra gli altri vantaggi, ottenere una migliore gestione di questi processi potrebbe significare grandi miglioramenti nelle previsioni meteorologiche.

A quello scopo, il laboratorio di Amir Haji-Akbari, assistente professore di ingegneria chimica e ambientale, si è concentrata su un processo particolarmente veloce noto come congelamento a contatto, in cui un superraffreddato (sotto lo zero, ma non congelato) gocciolina di liquido nell'atmosfera si scontra con una particella nucleante, cioè, una particella che facilita il congelamento di un liquido che viene a contatto con esso. Il congelamento avviene molto più velocemente del processo di congelamento per immersione, un evento più comune in cui una particella nucleante è già all'interno di una goccia di liquido quando la temperatura diminuisce.

I risultati sono stati recentemente pubblicati nel Giornale della Società Chimica Americana .

Il motivo esatto per cui si verifica il congelamento dei contatti e così rapidamente è stata una domanda di vecchia data tra gli scienziati. A un certo punto, gli scienziati credevano che il congelamento fosse indotto da effetti transitori causati dalla collisione. Una teoria successiva postulava che il congelamento fosse accelerato da quella che è nota come linea di contatto. Questo è quando una particella è esposta a tre fasi della materia:vapore liquido e una particella solida. Esperimenti, anche se, ha mostrato che nessuna di queste era la risposta.

Studi più recenti hanno suggerito che il congelamento si verifica semplicemente quando le superfici di due particelle sono molto vicine l'una all'altra. Haji-Akbari ha testato questo con una tecnica che ha recentemente sviluppato chiamata campionamento a flusso in avanti saltellante, che tiene conto in modo accurato del progresso di un sistema, come la formazione di ghiaccio o neve, anche se i modelli possono cambiare significativamente in un breve periodo di tempo. Facendo così, il suo team di ricercatori ha dimostrato che la vicinanza delle superfici è sufficiente per indurre il congelamento, ma solo in determinate circostanze. Nello specifico, succede solo quando c'è un liquido soggetto a congelamento superficiale.

"Ciò che abbiamo dimostrato è che affinché avvenga questa nucleazione più rapida, anche il congelamento vicino all'interfaccia vapore-liquido deve essere più veloce, anche se non c'è nessuna particella all'interno di questa gocciolina, " disse. Infatti, hanno dimostrato che questa nucleazione avviene ancora più velocemente nei film ultrasottili del liquido che congela la superficie.

Haji-Akbari ha affermato che gli approcci teorici utilizzati per questo studio possono essere applicati per comprendere altri processi di congelamento, portando a informazioni che potrebbero portare a previsioni meteorologiche migliori e fornire informazioni preziose per gli scienziati dei materiali.

"Diversi componenti di questi eventi di congelamento non sono ben compresi, compreso il congelamento dei contatti, " ha detto. "Quindi il prossimo passo nel nostro lavoro è essere in grado di costruire modelli migliori, che potrebbe tradursi in previsioni più accurate o affidabili".