A l'échelle nanométrique, l'eau gèle de diverses manières, et tous ne sont pas complètement compris. Entre autres avantages, mieux maîtriser ces processus pourrait signifier de grandes améliorations dans les prévisions météorologiques.

À cette fin, le laboratoire d'Amir Haji-Akbari, professeur assistant en génie chimique et environnemental, s'est concentré sur un procédé particulièrement rapide connu sous le nom de congélation par contact, dans lequel une surfusion (sous le point de congélation, mais non gelée) une gouttelette de liquide dans l'atmosphère entre en collision avec une particule de nucléation, c'est-à-dire une particule qui facilite la congélation d'un liquide qui entre en contact avec elle. La congélation se produit beaucoup plus rapidement que le processus de congélation par immersion, un phénomène plus courant dans lequel une particule en nucléation est déjà à l'intérieur d'une gouttelette de liquide lorsque la température diminue.

Les résultats ont été publiés récemment dans le Journal de l'American Chemical Society .

Exactement pourquoi le gel des contacts se produit et si rapidement est une question de longue date parmi les scientifiques. À un moment donné, les scientifiques pensaient que le gel était induit par des effets transitoires causés par la collision. Une théorie ultérieure a avancé que le gel était accéléré par ce qu'on appelle une ligne de contact. C'est à ce moment qu'une particule est exposée à trois phases de matière :la vapeur liquide et une particule solide. Expériences, bien que, a montré que ni l'un ni l'autre n'était la réponse.

Des études plus récentes suggèrent que le gel se produit simplement lorsque les surfaces de deux particules sont très proches l'une de l'autre. Haji-Akbari a testé cela avec une technique qu'il a récemment développée appelée échantillonnage à flux direct nerveux, qui rend compte avec précision de la progression d'un système, comme la formation de glace ou de neige, même si les modèles peuvent changer de manière significative sur une courte période de temps. En faisant cela, son équipe de chercheurs a démontré que la proximité des surfaces suffit à provoquer le gel, mais seulement dans certaines circonstances. Spécifiquement, cela ne se produit que lorsqu'il y a un liquide sujet au gel en surface.

"Ce que nous avons montré, c'est que pour que cette nucléation plus rapide se produise, la congélation à côté de l'interface vapeur-liquide doit également être plus rapide, même s'il n'y a pas de particule dans cette gouttelette, " dit-il. En effet, ils ont montré que cette nucléation se produit encore plus rapidement dans les films ultrafins du liquide de congélation de surface.

Haji-Akbari a déclaré que les approches théoriques utilisées pour cette étude peuvent être appliquées pour comprendre d'autres processus de congélation, conduisant à des informations qui pourraient aboutir à de meilleures prévisions météorologiques et fournir des informations précieuses aux scientifiques des matériaux.

« Plusieurs composants de ces événements de gel ne sont pas bien compris, y compris la congélation par contact, " a-t-il dit. " La prochaine étape de notre travail est donc de pouvoir construire de meilleurs modèles, ce qui pourrait donner lieu à des prédictions plus précises ou plus fiables. »