La glace est omniprésente et impacte profondément notre quotidien, influençant des domaines tels que le changement climatique, transport, et la consommation d'énergie. Comprendre le processus de formation de la glace peut ralentir la vitesse de fonte des glaciers et d'élévation du niveau de la mer et atténuer d'autres problèmes environnementaux majeurs.

Étant donné que la formation de la glace est principalement régie par la nucléation de la glace suivie de la croissance des noyaux, les scientifiques ont déployé de grands efforts pour comprendre la thermodynamique et la cinétique derrière les processus de nucléation. La nucléation de la glace peut se produire de deux manières distinctes :de manière homogène dans l'eau en vrac ou de manière hétérogène à la surface d'un matériau solide, où la nucléation hétérogène de la glace (HIN) est le mode prédominant de formation de glace sur terre. Cependant, contrairement à la nucléation homogène de la glace, les interactions eau-surface présentes dans HIN rendent le processus de nucléation sensible aux propriétés de surface. Comprendre comment les surfaces impactent le processus de nucléation est une approche prometteuse pour mieux prédire et contrôler les processus de cristallisation.

Un modèle commun utilisé pour quantifier la cinétique de nucléation basé sur un cadre thermodynamique, théorie de la nucléation classique (CNT), suggère que les molécules d'eau doivent former un noyau de glace de taille critique avant qu'un processus de cristallisation ne se produise. La formation du noyau de glace critique est associée à une seule barrière d'énergie libre, qui doit être surmonté pour déclencher une nouvelle croissance de la glace. Cependant, au cours des années, les expériences et les simulations ont révélé que les CNT sont souvent insuffisants pour décrire certains processus de nucléation complexes. Par conséquent, La CNT a fait l'objet d'un immense débat, et des théories de nucléation non classiques ont été proposées alternativement.

Différent de CNT, qui repose sur le dépassement d'une seule barrière énergétique libre, les théories de nucléation non classiques suggèrent que les processus de nucléation consistent en deux étapes ou plus séparées par de multiples barrières d'énergie libre. Bien que les théories de nucléation non classiques puissent être un modèle plus durable, les mécanismes atomistiques et les évolutions structurelles au cours de la formation des noyaux dans les voies de nucléation non classiques ne sont pas bien connus; et reste un défi pour les techniques expérimentales à démêler.

Maintenant, pour la première fois, un groupe de chercheurs du HKUST dirigé par le professeur Xuhui Huang du département de chimie a combiné les modèles d'état de Markov (MSM) - qui modélisent la dynamique à long terme des molécules chimiques - et la théorie des chemins de transition (TPT) - qui décrit la voie de réaction des molécules rares événements-pour élucider les voies d'ensemble de HIN. Les MSM identifient des états intermédiaires de mélanges de glace désordonnés et comparent des voies parallèles (classiques vs non classiques). Cet avantage a aidé à démêler les mécanismes sous-jacents des processus de nucléation non classiques et la coexistence des deux voies.

Ces chercheurs montrent que le mélange désordonné de la glace stabilise le noyau critique et rend la voie de nucléation non classique aussi accessible que la voie classique, dont le noyau critique est principalement constitué de glace à potentiel énergétique. Ils ont également découvert qu'à des températures élevées, le processus de nucléation préfère procéder par la voie classique puisque les contributions potentielles d'énergie, qui privilégient la voie classique, prévaloir.

"Non seulement nos travaux révèlent les mécanismes des processus de nucléation non classiques, mais il démontre également comment la combinaison de MSM et de TPT offre un cadre puissant pour étudier les évolutions structurelles des processus de nucléation de la glace, " a déclaré le professeur Huang. " Plus important encore, cette méthode peut être étendue à d'autres processus de nucléation cristalline difficiles à étudier, ce qui ouvrira de nouvelles portes aux scientifiques qui tentent de prédire et de contrôler les processus de cristallisation."

Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Communication Nature . Le premier auteur de ce travail :le Dr Chu Li est un affilié de longue date de HKUST qui a terminé son doctorat, et effectue actuellement sa formation post-doctorale à HKUST.