新模型阐明了水在一定温度范围内结冰的原因

从抽象的云层到滑雪场造雪机的轰鸣声，液态水向固态冰的转变涉及生活的许多方面。一般认为水的冰点为32华氏度。但这是由于冰成核——日常水中的杂质将其冰点提高到这个温度。现在，研究人员推出了一个理论模型，展示了表面的特定结构细节如何影响水的冰点。

“冰核形成是大气中最常见的现象之一，”物理和材料化学教授瓦莱里娅·莫利内罗说。“在20世纪50年代和1960年代，人们对​​冰核通过播云控制天气和其他军事目标的兴趣激增。一些研究探讨了小形状如何促进冰核，但该理论尚未发展，也没有人做任何事情定量的。”

当温度下降时，液态水中的分子通常会快速旋转并相互擦肩而过，但会失去能量并减慢速度。一旦它们失去足够的能量，它们就会停下来，调整自己的方向以避免排斥力并最大化吸引力，并在适当的位置振动，形成我们称为冰的水分子晶体网络。

当液态水完全纯净时，只有在温度降至零下51华氏度时才会形成冰;这称为过冷。但是，即使水中存在最微小的杂质(烟灰、细菌甚至特定蛋白质)，冰晶也更容易在表面形成，从而导致在温度高于零下51华氏度时形成冰。

数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。在一项关于细菌内冰核蛋白的早期研究中，莫利内罗和她的团队发现蛋白质组之间的距离可能会影响冰形成的温度。

莫利内罗说：“有些距离非常有利于冰的形成，而有些距离则完全相反。”

其他表面也观察到类似的趋势，但尚未找到数学解释。

“人们之前已经有了‘哦，也许表面会抑制或促进冰成核’的感觉，但无法解释或预测他们在实验中观察到的结果，”在会议上介绍这项工作的博士后YuqingQiu说。邱和莫利内罗都在犹他大学进行了这项研究，尽管邱现在在芝加哥大学工作。

为了解决这个问题，Molinero、Qiu和团队收集了数百个先前报告的测量结果，了解表面上的微小凸起之间的角度如何影响水的冰点温度。然后他们根据数据测试了理论模型。他们使用这些模型来考虑促进冰晶形成的因素，例如水与表面的结合强度以及结构特征之间的角度。

最后，他们确定了一个数学表达式，该表达式表明表面特征之间的某些角度使水分子在相对较高的温度下更容易聚集和结晶。他们表示，他们的模型可以帮助设计具有表面的材料，从而以最小的能量输入更有效地形成冰。例子包括造雪机或制冰机，或适合播云的表面，西部几个州使用播云来增加降雨量。它还可以帮助更好地解释大气中微小的矿物颗粒如何帮助通过冰核形成云，从而可能使天气模型更加有效。

研究人员计划利用这个模型重新研究细菌中的冰核蛋白。超过200种蛋白质被认为是冰核蛋白质，但它们的结构尚不清楚。研究人员希望研究具有已通过人工智能工具解决的结构的蛋白质，然后他们将模拟这些蛋白质的聚集体如何影响冰的形成。