Neues Modell erklärt, warum Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen gefriert

Von abstrakt anmutenden Wolkenformationen bis hin zum Dröhnen von Schneemobilen auf Skipisten – die Umwandlung von flüssigem Wasser in festes Eis berührt viele Facetten des Lebens. Der Gefrierpunkt von Wasser wird im Allgemeinen auf 32 Grad Fahrenheit geschätzt. Dies ist jedoch auf die Bildung von Eis zurückzuführen: Im Alltagswasser vorhandene Verunreinigungen erhöhen seinen Gefrierpunkt auf diese Temperatur. Jetzt stellen Forscher ein theoretisches Modell vor, das zeigt, wie spezifische Strukturdetails auf Oberflächen den Gefrierpunkt von Wasser beeinflussen können.

Ihre Ergebnisse werden die Forscher auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen.

„Eiskeimbildung ist eines der häufigsten Phänomene in der Atmosphäre“, erklärt Valeria Molinero, Professorin für Physik und Chemie der Materialien. „In den 1950er und 1960er Jahren erwachte das Interesse an der Eiskeimbildung zur Kontrolle des Wetters durch Wolkenbildung und für andere militärische Zwecke wieder. Einige Studien befassten sich mit der Frage, wie kleine Formen die Eiskeimbildung fördern, aber die Theorie war unterentwickelt und niemand hat etwas Quantitatives unternommen.“ .”

Wenn die Temperaturen sinken, verlieren flüssige Wassermoleküle, die sich normalerweise mit voller Geschwindigkeit bewegen und aneinander vorbeiziehen, Energie und werden langsamer. Sobald sie genug Energie verloren haben, stoppen sie, orientieren sich, um Abstoßungen zu vermeiden und die Anziehungskraft zu maximieren, und vibrieren an Ort und Stelle und bilden das Kristallgitter aus Wassermolekülen, das wir Eis nennen.

Wenn flüssiges Wasser völlig rein ist, bildet sich möglicherweise erst dann Eis, wenn die Temperatur minus 51 Grad Fahrenheit erreicht. Dies nennt man Unterkühlung. Wenn aber auch kleinste Verunreinigungen – Ruß, Bakterien oder auch bestimmte Proteine ​​– im Wasser vorhanden sind, können sich auf Oberflächen leichter Eiskristalle bilden, die bei Temperaturen über -51 Grad Fahrenheit zur Eisbildung führen.

Jahrzehntelange Forschung hat Trends aufgezeigt, wie sich Formen und Strukturen verschiedener Oberflächen auf den Gefrierpunkt von Wasser auswirken. In einer früheren Studie über Eiskeimbildnerproteine ​​in Bakterien fanden Molinero und sein Team heraus, dass die Abstände zwischen Proteingruppen die Temperatur beeinflussen können, bei der sich Eis bildet.

„Es gab Entfernungen, die für die Eisbildung sehr günstig waren, und Entfernungen, die völlig entgegengesetzt waren“, erklärt Molinero.

Ähnliche Trends wurden für andere Oberflächen beobachtet, es wurde jedoch keine mathematische Erklärung gefunden.

„Früher hatten die Leute bereits das Gefühl: ‚Oh, vielleicht hemmt oder fördert eine Oberfläche die Eiskeimbildung‘, aber es gab keine Möglichkeit, zu erklären oder vorherzusagen, was sie experimentell beobachteten“, sagt Yuqing Qiu, Postdoktorandin, die die Arbeit auf dem Treffen vorstellt . . Sowohl Qiu als auch Molinero führten diese Forschung an der University of Utah durch, obwohl Qiu jetzt an der University of Chicago arbeitet.

Um diese Lücke zu schließen, haben Molinero, Qiu und ihr Team Hunderte zuvor gemeldete Messungen zusammengetragen, die zeigen, wie sich die Winkel zwischen mikroskopischen Unebenheiten auf einer Oberfläche auf die Gefriertemperatur von Wasser auswirken. Anschließend testeten sie theoretische Modelle anhand der Daten. Mithilfe der Modelle berücksichtigten sie Faktoren, die die Bildung von Eiskristallen fördern könnten, etwa die Stärke, mit der Wasser an Oberflächen bindet, und die Winkel zwischen Strukturelementen.

Letztendlich identifizierten sie einen mathematischen Ausdruck, der zeigt, dass bestimmte Winkel zwischen Oberflächenmerkmalen es Wassermolekülen erleichtern, sich bei relativ wärmeren Temperaturen anzusammeln und zu kristallisieren. Sie sagen, dass ihr Modell dabei helfen kann, Materialien mit Oberflächen zu entwerfen, die eine effizientere Eisbildung bei minimalem Energieaufwand ermöglichen würden. Beispiele hierfür sind Schnee- oder Eismaschinen oder für die Wolkenbildung geeignete Oberflächen, die von mehreren westlichen Staaten zur Erhöhung der Niederschläge genutzt werden. Es könnte auch dazu beitragen, besser zu erklären, wie winzige Mineralpartikel in der Atmosphäre durch Eiskeimbildung zur Wolkenbildung beitragen, wodurch Wettermodelle möglicherweise effizienter werden.

Die Forscher planen, dieses Modell zu nutzen, um ihre Studien zu glaziogenen Proteinen in Bakterien fortzusetzen. Es wird angenommen, dass es sich bei mehr als 200 Proteinen um Eiskeimbildner handelt, doch nicht alle ihrer Strukturen sind bekannt. Die Forscher wollen Proteine ​​untersuchen, deren Strukturen mit KI-Tools gelöst wurden, und dann modellieren, wie Aggregate dieser Proteine ​​die Eisbildung beeinflussen.