Des formations nuageuses d’apparence abstraite aux rugissements des motoneiges sur les pistes de ski, la transformation de l’eau liquide en glace solide touche de nombreuses facettes de la vie. On considère généralement que le point de congélation de l’eau est de 32 degrés Fahrenheit. Mais cela est dû à la nucléation de la glace : les impuretés présentes dans l’eau quotidienne élèvent son point de congélation à cette température. Aujourd’hui, les chercheurs dévoilent un modèle théorique qui montre comment des détails structurels spécifiques sur les surfaces peuvent influencer le point de congélation de l’eau.
Les chercheurs présenteront leurs résultats au réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS).
« La nucléation de la glace est l’un des phénomènes les plus courants dans l’atmosphère », explique Valeria Molinero, professeur de physique et de chimie des matériaux. « Dans les années 1950 et 1960, il y a eu un regain d’intérêt pour la nucléation de la glace afin de contrôler les conditions météorologiques via l’ensemencement des nuages et à d’autres fins militaires. Certaines études ont abordé la façon dont les petites formes favorisent la nucléation de la glace, mais la théorie était sous-développée et personne n’a rien fait. quantitatif. »
Lorsque les températures baissent, les molécules de l’eau liquide, qui se déplacent normalement à toute vitesse et se croisent, perdent de l’énergie et ralentissent. Une fois qu’ils ont perdu suffisamment d’énergie, ils s’arrêtent, s’orientent pour éviter les répulsions et maximiser les attractions, et vibrent sur place, formant le réseau cristallin de molécules d’eau que nous appelons glace.
Lorsque l’eau liquide est complètement pure, la glace peut ne pas se former jusqu’à ce que la température atteigne une température glaciale de –51 degrés Fahrenheit ; c’est ce qu’on appelle la surfusion. Mais lorsque même les plus petites impuretés – suie, bactéries ou même protéines particulières – sont présentes dans l’eau, des cristaux de glace peuvent se former plus facilement sur les surfaces, entraînant la formation de glace à des températures supérieures à -51 degrés Fahrenheit.
Crédit : Société américaine de chimie
Des décennies de recherche ont révélé des tendances dans la manière dont les formes et les structures des différentes surfaces affectent le point de congélation de l’eau. Dans une étude antérieure sur les protéines nucléatrices de la glace au sein des bactéries, Molinero et son équipe ont découvert que les distances entre les groupes de protéines pouvaient avoir un impact sur la température à laquelle la glace se formait.
« Il y avait des distances très favorables à la formation de glace, et des distances complètement opposées », explique Molinero.
Des tendances similaires ont été observées pour d’autres surfaces, mais aucune explication mathématique n’a été trouvée.
« Auparavant, les gens avaient déjà le sentiment de ‘Oh, peut-être qu’une surface inhibera ou favorisera la nucléation de la glace’, mais aucun moyen d’expliquer ou de prédire ce qu’ils ont observé expérimentalement », explique Yuqing Qiu, postdoctorant, qui présente les travaux lors de la réunion. . Qiu et Molinero ont tous deux mené ces recherches à l’Université de l’Utah, bien que Qiu travaille désormais à l’Université de Chicago.
Pour combler cette lacune, Molinero, Qiu et leur équipe ont rassemblé des centaines de mesures précédemment rapportées sur la manière dont les angles entre les bosses microscopiques d’une surface affectaient la température de congélation de l’eau. Ils ont ensuite testé des modèles théoriques par rapport aux données. Ils ont utilisé les modèles pour prendre en compte les facteurs susceptibles d’encourager la formation de cristaux de glace, tels que la force avec laquelle l’eau se lie aux surfaces et les angles entre les éléments structurels.
En fin de compte, ils ont identifié une expression mathématique qui montre que certains angles entre les caractéristiques de la surface facilitent la collecte et la cristallisation des molécules d’eau à des températures relativement plus chaudes. Ils disent que leur modèle peut aider à concevoir des matériaux avec des surfaces qui permettraient à la glace de se former plus efficacement avec un apport d’énergie minimal. Les exemples incluent les machines à neige ou à glace, ou les surfaces adaptées à l’ensemencement des nuages, qui sont utilisées par plusieurs États occidentaux pour augmenter les précipitations. Cela pourrait également aider à mieux expliquer comment les minuscules particules minérales présentes dans l’atmosphère contribuent à la formation des nuages grâce à la nucléation de la glace, rendant potentiellement les modèles météorologiques plus efficaces.
Les chercheurs prévoient d’utiliser ce modèle pour revenir à leurs études sur les protéines glaciogènes chez les bactéries. On pense que plus de 200 protéines sont des protéines nucléatrices de la glace, mais leurs structures ne sont pas toutes connues. Les chercheurs espèrent étudier des protéines dont les structures ont été résolues avec des outils d’IA, puis modéliseront la manière dont les agrégats de ces protéines affectent la formation de glace.