Découvrir un moyen d'exploiter la recristallisation de la glace pourrait permettre la fabrication de matériaux hautement efficaces pour une gamme de produits, y compris les électrodes poreuses pour batteries et les films conducteurs transparents utilisés pour fabriquer des écrans tactiles et des appareils électroniques portables.

Une équipe de chercheurs de l'Université du Nebraska-Lincoln et de l'Académie chinoise des sciences a publié des résultats sur la dynamique et la manipulation de la recristallisation de la glace dans le numéro du 2 mai de Communication Nature .

La recristallisation de la glace est un processus omniprésent dans la nature. Il s'agit de faire pousser de gros cristaux de glace au détriment des petits, entraînant une augmentation de la taille moyenne des cristaux et une diminution du nombre total de cristaux.

Un groupe de recherche expérimentale de l'institution chinoise a collaboré étroitement avec Xiao Cheng Zeng, Chancelier de l'Université professeur de chimie, et les chercheurs en matériaux du Nebraska qui étudient les propriétés de l'eau et de la glace d'un point de vue informatique.

Le groupe chinois utilise désormais de la glace recristallisée comme modèle pour synthétiser des matériaux bidimensionnels et tridimensionnels avec différentes tailles de pores. Avec leurs collègues du Nebraska, l'équipe a appris que les ions, qui sont des molécules chargées électriquement, peut être utilisé pour fabriquer de nouvelles structures bidimensionnelles et tridimensionnelles sur une large gamme d'autres matériaux hôtes. Ces matériaux hôtes d'importance technologique conviennent à l'électronique organique, catalyse et bio-ingénierie.

"La taille des pores des matériaux poreux bidimensionnels et tridimensionnels produits avec notre méthode peut être facilement ajustée, ce qui est essentiel pour les applications pratiques, " a déclaré le chef de projet Jianjun Wang, professeur à l'Institut de chimie de l'Académie chinoise des sciences.

"L'équipe expérimentale-théorique nous permet de résoudre le problème magnifiquement parce que chaque fois que nous prédisons quelque chose, ils peuvent le tester, " a déclaré Zeng. " Ensuite, ils peuvent renvoyer certaines des nouvelles données expérimentales, nous permettant de reconsidérer notre approche de modélisation."

Les recherches de Wang sur la recristallisation spécifique aux ions découlent du projet de cryoconservation des cellules de son groupe. Une des principales raisons de la mort cellulaire pendant la cryoconservation est que les gros cristaux de glace se développent aux dépens des petits pendant la recristallisation.

Au cours d'une expérience, un des étudiants de Wang a découvert un effet frappant par hasard. L'ajout de chlorure de sodium ou de tampon phosphate salin a produit un effet profond mais inexploré auparavant sur la taille de la glace recristallisée.

Dans d'autres expériences, L'équipe de Wang a rapidement congelé de l'eau pure et trois solutions salines, puis les laisser refroidir à des températures plus élevées. Ils ont découvert que les ions de fluor de sodium produisaient les plus petits cristaux de glace. Le brome de sodium a produit des cristaux plus gros. Ceux avec de l'iode de sodium ont produit les plus gros cristaux, qui dépassaient même celles produites à partir d'eau pure.

L'équipe du Nebraska a mené des simulations de dynamique moléculaire au Holland Computing Center et au Nebraska Cluster for Computational Chemistry afin de mieux comprendre comment le fluor, les ions iode et brome affectent la recristallisation de la glace.

"Ce que nous trouvons, c'est que le fluor ne reste pas piégé dans la glace, alors que l'iode permet cela, et dans une certaine mesure, le brome permet également que cela se produise, " Zeng a déclaré. "Vous pouvez utiliser des ions pour contrôler la glace."

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient régler la taille des grains de glace d'environ 27 microns - environ la moitié de la taille d'un cheveu humain - à 277 microns.