加载中…科技日报---冰点现象：解开冰核形成的奇异秘密
(2024-04-06 13:00:56)
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科技日报冰核形成表面角度 |
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题记：读了这篇报道才知道，晶莹剔透冰的形成不仅需要其他的物质（即杂质），还需要有一定的角度；这两者都决定着冰核的温度，绝不向我们普通认知的那样，是摄氏零度。这里面有一个有趣的现象（即数学的作用），角度决定了温度！我们发现在大自然里数学与物理的关系如此密切！
冰点现象：解开冰核形成的奇异秘密
当温度下降时，液态水中的分子会失去能量并减速，这些分子通常会四处加速并快速通过。一旦它们失去足够的能量，它们就会停止运动，调整方向以避免排斥并最大限度地吸引，并在适当的位置振动，形成我们称之为冰的水分子的结晶网络。当液态水完全纯净时，直到温度降至华氏51度，冰才可能形成；这就是所谓的过冷。但是，即使是最微小的杂质——烟灰、细菌，甚至是特定的蛋白质——也存在于水中时，冰晶也更容易在表面形成，导致温度高于-51华氏度时结冰。
冰核形成研究进展
几十年的研究揭示了不同表面的形状和结构如何影响水的冰点的趋势。在早期一项关于细菌内成冰蛋白的研究中，Molinero和她的团队发现，蛋白质组之间的距离可能会影响冰形成的温度。莫里纳罗说：“有些距离非常有利于冰的形成，而有些距离则完全相反。”
在其他表面也观察到了类似的趋势，但没有找到数学解释。“以前人们已经有了‘哦，也许表面会抑制或促进冰的成核’的感觉，但没有办法解释或预测他们在实验中观察到的结果，”在会议上介绍这项工作的博士后邱玉清说。邱和莫里纳罗都在犹他大学进行了这项研究，尽管邱现在在芝加哥大学工作。
为了解决这一差距，Molinero、邱和团队收集了数百份先前报道的测量结果，这些测量结果涉及表面微观凸起之间的角度如何影响水的冻结温度。然后，他们对照数据测试了理论模型。他们使用这些模型来考虑促进冰晶形成的因素，例如水与表面结合的强度以及结构特征之间的角度。
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最后，他们确定了一个数学表达式，该表达式表明，表面特征之间的特定角度使水分子更容易在相对较高的温度下聚集和结晶。他们说，他们的模型可以帮助设计具有表面的材料，以最小的能量输入使冰更有效地形成。例子包括造雪或制冰机，或适合播云的表面，西部几个州使用播云来增加降雨量。这也有助于更好地解释大气中的微小矿物颗粒如何帮助云层通过冰核形成，从而使天气模型更加有效。
冰核研究的未来方向
研究人员计划利用这个模型回到他们对细菌里冰核蛋白的研究中。据信有200多种蛋白质是冰核蛋白，但它们的结构并不都是已知的。研究人员希望研究具有人工智能工具解决的结构蛋白质，然后他们将对这些蛋白质的聚集体如何影响冰的形成进行建模。
当温度下降时，液态水中的分子会失去能量并减速，这些分子通常会四处加速并快速通过。一旦它们失去足够的能量，它们就会停止运动，调整方向以避免排斥并最大限度地吸引，并在适当的位置振动，形成我们称之为冰的水分子的结晶网络。当液态水完全纯净时，直到温度降至华氏51度，冰才可能形成；这就是所谓的过冷。但是，即使是最微小的杂质——烟灰、细菌，甚至是特定的蛋白质——也存在于水中时，冰晶也更容易在表面形成，导致温度高于-51华氏度时结冰。
冰核形成研究进展
几十年的研究揭示了不同表面的形状和结构如何影响水的冰点的趋势。在早期一项关于细菌内成冰蛋白的研究中，Molinero和她的团队发现，蛋白质组之间的距离可能会影响冰形成的温度。莫里纳罗说：“有些距离非常有利于冰的形成，而有些距离则完全相反。”
在其他表面也观察到了类似的趋势，但没有找到数学解释。“以前人们已经有了‘哦，也许表面会抑制或促进冰的成核’的感觉，但没有办法解释或预测他们在实验中观察到的结果，”在会议上介绍这项工作的博士后邱玉清说。邱和莫里纳罗都在犹他大学进行了这项研究，尽管邱现在在芝加哥大学工作。
为了解决这一差距，Molinero、邱和团队收集了数百份先前报道的测量结果，这些测量结果涉及表面微观凸起之间的角度如何影响水的冻结温度。然后，他们对照数据测试了理论模型。他们使用这些模型来考虑促进冰晶形成的因素，例如水与表面结合的强度以及结构特征之间的角度。
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最后，他们确定了一个数学表达式，该表达式表明，表面特征之间的特定角度使水分子更容易在相对较高的温度下聚集和结晶。他们说，他们的模型可以帮助设计具有表面的材料，以最小的能量输入使冰更有效地形成。例子包括造雪或制冰机，或适合播云的表面，西部几个州使用播云来增加降雨量。这也有助于更好地解释大气中的微小矿物颗粒如何帮助云层通过冰核形成，从而使天气模型更加有效。
冰核研究的未来方向
研究人员计划利用这个模型回到他们对细菌里冰核蛋白的研究中。据信有200多种蛋白质是冰核蛋白，但它们的结构并不都是已知的。研究人员希望研究具有人工智能工具解决的结构蛋白质，然后他们将对这些蛋白质的聚集体如何影响冰的形成进行建模。
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