Von abstrakt wirkenden Wolkenformationen bis hin zum Dröhnen von Schneemaschinen auf Skipisten: Die Umwandlung von flüssigem Wasser in festes Eis berührt viele Facetten des Lebens. Es wird allgemein angenommen, dass der Gefrierpunkt von Wasser bei 32 Grad Fahrenheit liegt. Aber das ist auf die Bildung von Eis zurückzuführen – Verunreinigungen im Alltagswasser 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 stellen die Forscher vor Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS).
„Eiskeimbildung ist eines der häufigsten Phänomene in der Atmosphäre“, sagt Valeria Molinero, Professorin für Physikalische Chemie und Materialchemie. „In den 1950er und 1960er Jahren gab es ein starkes Interesse an der Eiskeimbildung, um das Wetter durch Wolkenbildung zu kontrollieren und für andere militärische Zwecke. Einige Studien befassten sich damit, wie kleine Formen die Eiskeimbildung fördern, aber die Theorie war noch nicht entwickelt und niemand hat etwas unternommen.“ quantitativ.“
Wenn die Temperaturen sinken, verlieren die Moleküle im flüssigen Wasser, die normalerweise umher- und aneinander vorbeiflitzen, Energie und werden langsamer. Sobald sie genügend Energie verlieren, kommen sie zum Stillstand, orientieren sich, um Abstoßungen zu vermeiden und die Anziehungskraft zu maximieren, und vibrieren an Ort und Stelle und bilden das kristalline Netzwerk aus Wassermolekülen, das wir Eis nennen.
Wenn flüssiges Wasser völlig rein ist, kann es sein, dass sich kein Eis bildet, bis die Temperatur auf eiskalte -51 Grad Fahrenheit sinkt; das nennt man Unterkühlung. Wenn aber auch kleinste Verunreinigungen – Ruß, Bakterien oder sogar bestimmte Proteine – im Wasser vorhanden sind, können sich leichter Eiskristalle auf den Oberflächen bilden, was bei Temperaturen über -51 Grad Fahrenheit zur Eisbildung führt.
Bildnachweis: American Chemical Society
Jahrzehntelange Forschung hat Trends aufgezeigt, wie sich die Formen und Strukturen verschiedener Oberflächen auf den Gefrierpunkt von Wasser auswirken. In einer früheren Studie über eisbildende Proteine in Bakterien fanden Molinero und ihr Team heraus, dass die Abstände zwischen den Proteingruppen die Temperatur beeinflussen könnten, bei der sich Eis bildet.
„Es gab Entfernungen, die für die Eisbildung sehr günstig waren, und Entfernungen, die völlig entgegengesetzt waren“, sagt Molinero.
Ähnliche Trends wurden für andere Oberflächen beobachtet, es wurde jedoch keine mathematische Erklärung gefunden.
„Die Leute hatten schon früher das Gefühl: ‚Oh, vielleicht hemmt oder fördert eine Oberfläche die Bildung von Eiskeimen‘, aber es gab keine Möglichkeit, zu erklären oder vorherzusagen, was sie experimentell beobachteten“, sagt Yuqing Qiu, ein Postdoktorand, der 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, sammelten Molinero, Qiu und ihr Team Hunderte zuvor gemeldete Messungen darüber, wie sich die Winkel zwischen mikroskopischen Unebenheiten auf einer Oberfläche auf die Gefriertemperatur des Wassers auswirkten. Anschließend testeten sie theoretische Modelle anhand der Daten. Sie nutzten die Modelle, um Faktoren zu berücksichtigen, die die Bildung von Eiskristallen fördern würden, etwa die Stärke der Wasserbindung an den Oberflächen und die Winkel zwischen Strukturmerkmalen.
Am Ende identifizierten sie einen mathematischen Ausdruck, der zeigt, dass bestimmte Winkel zwischen Oberflächenmerkmalen es für Wassermoleküle einfacher machen, 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. Beispiele hierfür sind Schnee- oder Eiserzeuger oder Oberflächen, die für die Wolkenbildung geeignet sind, die von mehreren westlichen Bundesstaaten zur Erhöhung der Niederschlagsmenge genutzt wird. Es könnte auch dazu beitragen, besser zu erklären, wie winzige Mineralpartikel in der Atmosphäre durch Eiskeimbildung zur Bildung von Wolken beitragen und so Wettermodelle möglicherweise effektiver machen.
Die Forscher planen, dieses Modell zu nutzen, um ihre Untersuchungen zu Eis-keimbildenden Proteinen in Bakterien fortzusetzen. Es wird angenommen, dass es sich bei mehr als 200 Proteinen um eisbildende Proteine handelt, ihre Strukturen sind jedoch nicht alle bekannt. Die Forscher hoffen, Proteine mit Strukturen zu untersuchen, die mit KI-Tools gelöst wurden, und dann zu modellieren, wie Aggregate dieser Proteine die Eisbildung beeinflussen.