Fenomény bodu mrazu: Odhalení podivných tajemství nukleace ledu

Zmrazit vodu se může zdát jednoduché, ale ne Yuqing Qiu a Valeria Molinero. Prozkoumáním vztahu mezi povrchovou chemií a geometrií by mohl být proces vytváření ledu nebo sněhu energeticky efektivnější, což by pomohlo vytvořit mraky nebo přidat sníh do hor. Yuqing představí výzkum ve středu 20. března na ACS Spring 2024 v New Orleans.

Když teploty klesnou, molekuly v kapalné vodě, které se normálně pohybují kolem sebe a pohybují se kolem sebe, ztrácejí energii a zpomalují se. Jakmile ztratí dostatek energie, zastaví se, zorientují se, aby se vyhnuli odpuzování a maximalizovali přitažlivost, a vibrují na místě, čímž tvoří krystalickou síť molekul vody, které říkáme led. Když je kapalná voda zcela čistá, led se nemusí tvořit, dokud teplota neklesne na mrazivých –51 stupňů Fahrenheita; tomu se říká přechlazení. Ale když jsou ve vodě přítomny i ty nejmenší nečistoty – saze, bakterie nebo dokonce konkrétní proteiny, mohou se na povrchu snadněji tvořit ledové krystaly, což vede k tvorbě ledu při teplotách vyšších než –51 stupňů Fahrenheita.

Pokroky ve studiu nukleace ledu

Desítky let výzkumu odhalily trendy v tom, jak tvary a struktury různých povrchů ovlivňují bod tuhnutí vody. V dřívější studii o proteinech nukleujících led v bakteriích Molinero a její tým zjistili, že vzdálenosti mezi skupinami proteinů mohou ovlivnit teplotu, při které se tvoří led. „Existovaly vzdálenosti, které byly velmi příznivé pro tvorbu ledu, a vzdálenosti, které byly zcela opačné,“ říká Molinero.

Podobné trendy byly pozorovány u jiných povrchů, ale nebylo nalezeno žádné matematické vysvětlení. „Lidé již dříve měli pocit, že povrch možná brzdí nebo podporuje nukleaci ledu, ale žádný způsob, jak vysvětlit nebo předpovědět to, co experimentálně pozorovali,“ říká Yuqing Qiu, postdoktor, který na setkání prezentuje práci. Qiu i Molinero provedli tento výzkum na University of Utah, ačkoli Qiu nyní pracuje na University of Chicago .

K vyřešení této mezery Molinero, Qiu a tým shromáždili stovky dříve hlášených měření o tom, jak úhly mezi mikroskopickými hrbolky na povrchu ovlivňují teplotu mrazu vody. Poté testovali teoretické modely proti datům. Použili modely ke zvážení faktorů, které by podpořily tvorbu ledových krystalů, například jak silně se voda váže na povrchy a úhly mezi strukturními prvky.

Nakonec identifikovali matematický výraz, který ukazuje, že určité úhly mezi povrchovými prvky usnadňují shromažďování a krystalizaci molekul vody při relativně vyšších teplotách. Říkají, že jejich model může pomoci navrhnout materiály s povrchy, které by umožnily efektivnější tvorbu ledu s minimálním vstupem energie. Příklady zahrnují výrobníky sněhu nebo ledu nebo povrchy, které jsou vhodné pro výsev mraků, který používá několik západních států ke zvýšení srážek. Mohlo by to také pomoci lépe vysvětlit, jak drobné minerální částice v atmosféře pomáhají vytvářet mraky prostřednictvím nukleace ledu, což potenciálně činí modely počasí efektivnějšími.

Budoucí směry ve výzkumu ledové nukleace

Výzkumníci plánují použít tento model k návratu ke svým studiím ledových jaderných proteinů v bakteriích. Předpokládá se, že více než 200 proteinů jsou proteiny nukleující led, ale jejich struktury nejsou všechny známé. Vědci doufají, že budou studovat proteiny se strukturami, které byly vyřešeny pomocí nástrojů AI, a pak budou modelovat, jak agregáty těchto proteinů ovlivňují tvorbu ledu.

Název
Nejvýkonnější výrobci sněhu

Abstrakt
Několik organismů si vyvinulo proteiny, které řídí tvorbu ledu. Bakterie vytvářející zárodky ledu jsou nejúčinnějšími činidly nukleujícími led v biosféře a atmosféře, přispívají k zalednění mraků a srážkám a běžně se používají pro syntetickou výrobu sněhu. Tyto bakterie mají ve své vnější membráně proteiny, které jsou schopny nukleovat led při teplotách až –1 °C. Tato prezentace bude diskutovat o naší snaze objasnit mechanismy, kterými bakteriální proteiny a další silné ledové nukleanty podporují krystalizaci vody, čím jsou tak výjimečné a zda dokážeme navrhnout materiály, které je překonávají.

Výzkum byl financován National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research a Yen Fellowship z Institute for Biophysics Dynamics na University of Chicago.