Comment se forme la glace ? Étonnamment, la science n'a pas entièrement répondu à cette question. Les différences dans la formation de glace sur diverses surfaces ne sont toujours pas bien comprises, mais les chercheurs expliqueront aujourd'hui leur découverte que les arrangements que les atomes de surface imposent aux molécules d'eau sont la clé. Les travaux ont des implications pour empêcher la formation de glace là où elle n'est pas souhaitée (pare-brise, lignes électriques) et pour favoriser la formation de glace là où elle se trouve (conservation des aliments ou des organes). Les résultats pourraient également aider à améliorer les prévisions météorologiques.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS) à l'automne 2019.

"Nous avons découvert que si nous regardons la structure de l'eau liquide où elle entre en contact avec la surface, nous pouvons commencer à comprendre et à prédire si une surface donnée favorisera ou inhibera la formation de glace, " dit Sapna Sarupria, Doctorat., le chercheur principal du projet. « Nous travaillons avec des collaborateurs pour utiliser ces informations afin de mieux comprendre le rôle de la glace dans les conditions météorologiques et de concevoir des surfaces bonnes ou mauvaises pour la formation de glace. Ne serait-il pas formidable d'avoir un pare-brise qui ne laisse pas la glace coller ? à lui en hiver?"

L'équipe de Sarupria utilise des ordinateurs pour étudier des simulations moléculaires de surfaces et de formation de glace. Contrairement au monde réel plus désordonné, ce réglage contrôlé lui donne la possibilité d'examiner l'impact d'un changement dans un seul paramètre de surface ou même un seul atome à la fois. Les chercheurs mettent ensuite en corrélation les résultats avec ceux des expérimentateurs qui travaillent avec des matériaux du monde réel, y compris l'iodure d'argent ou des minéraux tels que le mica et la kaolinite. L'iodure d'argent est si efficace pour favoriser la formation de glace qu'il est utilisé pour l'ensemencement des nuages ​​afin de stimuler les précipitations pendant les sécheresses.

Formation de glace, ou nucléation, se produit lorsque l'eau liquide subit une transition de phase en eau solide. L'eau peut également subir d'autres transitions de phase, comme passer de la glace à un liquide, ou à la vapeur. Si ces transitions ont lieu dans les nuages, ils peuvent former des gouttes de pluie et de la neige. "Quand tu veux prédire la météo, vous devez savoir comment ces transitions de phase se produisent, et c'est essentiellement une question ouverte, " dit Sarupria, qui est à l'Université de Clemson. Souvent, ces changements se produisent en présence de particules telles que la poussière minérale dans l'atmosphère. Le type et la quantité de poussière déterminent le type de précipitation qui se produit. "Nous essayons de comprendre comment différentes surfaces de particules de poussière affectent la transition de l'eau de la phase liquide à la phase solide dans les nuages, " elle dit.

Bon vieux H 2 O est juste cela :un oxygène lié à deux hydrogènes. Ces hydrogènes sont attirés par certaines surfaces plus que d'autres, et cela affecte la façon dont les molécules d'eau s'orientent sur une surface. Leur disposition par rapport aux atomes de surface sur les particules de poussière et par rapport aux autres molécules d'eau est en fait le facteur le plus important dans la formation de glace, L'équipe de Sarupria a découvert. Cette découverte explique également pourquoi l'iodure d'argent est un si bon nucléateur. D'abord, ses atomes de surface sont disposés d'une manière similaire à l'arrangement des molécules d'eau dans la glace, c'est donc un modèle efficace. Seconde, la charge positive de l'ion argent et la charge négative de l'iode orientent les hydrogènes et les oxygènes de l'eau liquide de la bonne manière pour qu'elle forme une structure de glace. "Les distances entre les atomes, et cet arrangement de charges, sont très importants pour que l'iodure d'argent soit un nucléateur, " dit Sarupria.

Les chercheurs collaborent désormais avec des expérimentateurs qui étudient les phénomènes atmosphériques pour les aider à expliquer leurs résultats. « Si nous pouvons modéliser ces phénomènes, nous pourrons peut-être mieux comprendre le rôle de la glace dans la météo, " elle explique.

Sarupria applique également sa compréhension de la structure de l'eau pour concevoir des surfaces qui peuvent favoriser ou inhiber la formation de glace. Par exemple, pour éviter les dommages lors du stockage des aliments ou de la cryoconservation des organes, quelqu'un à l'avenir pourrait utiliser les nouvelles connaissances pour former de la glace à des températures plus proches de 32 F, le point de congélation de l'eau, plutôt qu'à des températures plus basses. Cela pourrait être fait en modifiant la surface de l'emballage ou en ajoutant des molécules à la solution pour la cryoconservation. "Dans d'autres cas, tels que les pare-brise et les lignes électriques, vous ne voulez peut-être pas que de la glace se forme, " dit Sarupria. " Nous essayons donc de comprendre comment faire des revêtements ou des surfaces qui ne laisseront pas la glace se former, ou s'il se forme, cela ne le laissera pas coller. » Son équipe essaie également de comprendre comment les protéines antigel naturelles aident les poissons et d'autres organismes à survivre dans des conditions glaciales. « En fin de compte, qu'il s'agisse de ces protéines ou de particules de poussière, tout se résume à la façon dont ils affectent la structure de l'eau, " dit-elle. "Nous voulons utiliser ces informations pour créer un paramètre qui pourrait nous aider à examiner rapidement les surfaces pour leur capacité de nucléation de la glace."