新理论模型显示表面特定结构细节如何影响水的冰点

研究结果及其影响

研究人员在美国化学学会（ACS）春季会议上展示了他们的研究成果。美国化学学会 2024 年春季会议是一个混合会议，将于 3 月 17-21 日以虚拟和现场方式举行；会议期间将有近 12000 场关于各种科学主题的报告。

物理和材料化学教授瓦莱里娅-莫利内罗（Valeria Molinero）说："冰核形成是大气中最常见的现象之一。上世纪五六十年代，人们对冰核现象的兴趣激增，希望通过播撒物质到云层中来控制天气，并实现其他军事目标。一些研究探讨了小形状如何促进冰核形成，但理论并不成熟，也没有人做过任何定量研究"。

水结冰看似简单，但对邱宇清和瓦莱里娅-莫利内罗来说并非如此。通过探索表面化学与几何之间的关系，可以使制造冰或雪的过程更加节能，从而帮助制造云层或为高山增添积雪。余庆将于3月20日星期三在新奥尔良举行的ACS Spring 2024会议上介绍这项研究。

当气温下降时，液态水中的分子通常会飞速旋转并彼此擦肩而过，但它们会失去能量并减慢速度。一旦失去足够的能量，它们就会停顿下来，调整方向以避免相互排斥，最大限度地增加吸引力，并在原地振动，形成我们称之为冰的水分子结晶网络。当液态水完全纯净时，冰可能要等到温度降到华氏零下 51 度时才会形成；这就是所谓的过冷现象。但是，如果水中存在最微小的杂质--烟尘、细菌甚至是特定的蛋白质，冰晶就会更容易在表面形成，从而在温度高于零下 51 华氏度时形成冰。

冰核研究的进展

几十年的研究揭示了不同表面的形状和结构如何影响水的冰点的趋势。莫利内罗和她的团队在早些时候对细菌内的成冰蛋白质进行的研究中发现，蛋白质组之间的距离会影响结冰的温度。莫利内罗说："有些距离非常有利于冰的形成，有些距离则完全相反。"

在其他表面也观察到了类似的趋势，但没有找到数学解释。博士后邱宇清（Yuqing Qiu）说："之前人们已经有了'哦，也许某个表面会抑制或促进冰核形成'的感觉，但没有办法解释或预测他们在实验中观察到的现象。"邱宇清和莫利内罗都曾在犹他大学从事这项研究，不过她现在芝加哥大学工作。

为了填补这一空白，莫利内罗、邱和团队收集了数百份以前报告过的关于表面微小凹凸之间的角度如何影响水的冻结温度的测量数据。然后，他们根据数据对理论模型进行了测试。他们利用这些模型来考虑促进冰晶形成的因素，如水与表面的结合强度和结构特征之间的角度。

最后，他们确定了一个数学表达式，表明表面特征之间的某些角度会使水分子更容易聚集，并在相对较高的温度下结晶。他们说，他们的模型可以帮助设计表面材料，从而以最小的能量输入更有效地形成冰。这方面的例子包括制雪机或制冰机，或适合播种云层的表面，西部几个州使用播种云层来增加降雨量。它还有助于更好地解释大气中的微小矿物颗粒是如何通过冰核作用帮助形成云的，从而有可能使天气模型更加有效。

编译自/scitechdaily