La grande science découle de la curiosité et du travail acharné. Dans ce cas, tout a commencé avec un congélateur cassé.

Atsuko Kobayashi (MS '91) et le professeur Caltech Joseph Kirschvink (BS, MS '75) - une équipe de chercheurs mari et femme qui partagent leur temps entre le Japon et les États-Unis - sont retournés chez eux pour découvrir que leur congélateur était mort à un moment donné pendant leur absence.

Lors de l'achat d'un nouveau, Kobayashi a vu une publicité pour un type spécial de congélateur utilisant des champs magnétiques pour garder les aliments plus frais en les "surrefroidissant". Elle ne l'a pas acheté, mais elle voulait savoir pourquoi la surfusion pouvait améliorer les aliments surgelés et comment les champs magnétiques pouvaient provoquer une surfusion.

Lorsqu'il est refroidi en dessous de 0 degrés Celsius, les molécules d'eau commencent à former des cristaux de glace partout où il y a des minéraux ou d'autres solides en suspension dans l'eau, ce qu'on appelle des sites de nucléation. Eau complètement pure, manque de sites de nucléation, peut être réfrigéré bien en dessous du point de congélation habituel tout en restant liquide, un processus appelé surfusion.

La surfusion a des avantages commerciaux. En effet, sans nécessairement connaître les mécanismes derrière pourquoi ils fonctionnent, Les pêcheurs japonais utilisent les congélateurs à commande magnétique pour transporter le poisson sur de longues distances jusqu'au marché. Le traitement est censé réduire les dommages cellulaires dans la chair des poissons, en gardant la saveur et la texture intactes. Le poisson se vend souvent sur le marché concurrentiel du poisson à des prix comparables à ceux des variétés fraîchement pêchées.

« Quand vous refroidissez de l'eau avant de la congeler, la glace résultante ne se dilate pas autant en volume que la glace ordinaire car elle prend une structure cristalline différente. Si vous congelez des tissus, qui contiennent de l'eau, moins d'expansion signifie moins de dommages aux cellules, " dit Kobayashi. Le procédé offre également des avantages scientifiques. En tant que microscopiste électronique, Kobayashi doit souvent congeler des tissus biologiques avant d'en générer des images. L'un de ses principaux objectifs a été de trouver des moyens de geler les tissus biologiques tout en minimisant les dommages causés par la formation de cristaux de glace.

« La question était, pourquoi les champs magnétiques auraient-ils un effet sur l'eau non purifiée, comme l'eau des cellules, pourrait être en surfusion ?", demande Kobayashi, qui est chercheur principal au Earth-Life Science Institute de l'Institut de technologie de Tokyo et visiteur en géologie et biologie à Caltech.

En recherchant des minéraux capables de nucléation de glace, elle a eu une prise de conscience :la réponse pourrait se trouver dans la magnétite, un composé naturel de fer et d'oxygène qui est magnétique.

L'équipe de recherche de Kobayashi et Kirschvink étudie depuis longtemps la magnétite. Kobayashi a été le premier à réussir à extraire et imager des nanocristaux de magnétite biologique dans le cerveau humain, et Kirschvink, le professeur Nico et Marilyn Van Wingen de géobiologie à Caltech, a passé les 30 dernières années à explorer le rôle que la magnétite biologique pourrait jouer dans la magnétoréception - la capacité des créatures vivantes à détecter les champs magnétiques

Leur travail s'appuie sur les recherches de Heinz Lowenstam, un paléoécologue qui a rejoint Caltech en 1952. Bien qu'il soit bien connu que les animaux pouvaient générer des minéraux durs dans les dents et les os, Lowenstam a fait la découverte en 1962 que les dents des chitons (un type de mollusque marin) étaient coiffées de magnétite. La magnétite est le minéral le plus dur qu'un animal puisse fabriquer, et il a été découvert plus tard comme un précipité biologique dans des créatures comme les bactéries, les abeilles, des oiseaux, et les mammifères, y compris les humains.

Kobayashi a démontré que des traces de particules de magnétite ajoutées à l'eau ont un effet énorme sur sa température de congélation. Un article antérieur de l'équipe de recherche de Kobayashi/Kirschvink a montré que quelques parties par milliard de magnétite ajoutées à de l'eau ultrapure - de l'eau dépourvue de tout autre site de nucléation - empêchaient presque entièrement la surfusion. Creuser plus profond, ils ont découvert que la glace cristallisait facilement à la surface des particules de magnétite à des températures légèrement inférieures à 0 degré Celsius.

Estimant que toute légère perturbation à la surface de la magnétite devrait perturber ce processus et empêcher le gel, ils ont ensuite conçu une série d'expériences utilisant des champs magnétiques rotatifs environ 20 fois plus puissants que le champ magnétique terrestre, suffisamment puissants pour faire secouer les molécules de magnétite. En gardant les molécules de magnétite en mouvement constant, ils empêchaient la formation de glace à leur surface et étaient capables de surfusionner l'eau imprégnée de magnétite presque aussi bien que l'eau ultrapure. Cela a même fonctionné dans deux types de tissus représentatifs :le céleri (pour les légumes) et le muscle de vache (pour les viandes). En secouant les molécules de magnétite dans les cellules des tissus végétaux et animaux, ils ont pu les sur-refroidir et finalement les congeler avec moins de dommages aux tissus.

"La découverte valide les pêcheurs japonais qui utilisent cette technologie depuis des années et confirme que la magnétite est la cause sous-jacente de la formation de glace endommagée dans les tissus, " dit Kobayashi. Cela suggère également un moyen d'aider à lutter contre la faim dans le monde, elle dit. Des estimations récentes du National Resources Defense Council indiquent que 40 pour cent de l'approvisionnement alimentaire humain est perdu entre la ferme et la table à manger, et que les dommages causés par le gel et le congélateur sont responsables d'une partie de cette perte. "Si ces dommages pouvaient être atténués par l'application contrôlée de champs magnétiques, plus de nourriture pourrait arriver sur les tables du monde entier, réduire le carburant, engrais, et l'eau nécessaire à l'agriculture moderne, ", dit Kobayashi. "Comprendre la raison pour laquelle de la glace dommageable se forme dans les tissus lorsqu'ils gèlent pourrait également conduire à de meilleures techniques de stockage cryogénique des œufs vivants, sperme, embryons, et peut-être même de petits animaux."

Pour Kirschvink, cette découverte n'est qu'un début. La magnétite peut être une cause principale de la nucléation de la glace dans la nature, il dit. "Les climatologues tentent de déterminer la source de la nucléation de la glace depuis des décennies afin que nous puissions améliorer les modèles de circulation atmosphérique, ensemencement des nuages.

L'étude, intitulé « Contrôle magnétique de la nucléation hétérogène de la glace avec la magnétite en nanophase :implications biophysiques et agricoles, " apparaît en ligne avant sa publication dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le 7 mai.