Como o gelo se forma? Surpreendentemente, a ciência não respondeu totalmente a essa pergunta. As diferenças na formação de gelo em várias superfícies ainda não são bem compreendidas, mas os pesquisadores hoje irão explicar sua descoberta de que os arranjos que os átomos da superfície impõem às moléculas de água são a chave. O trabalho tem implicações na prevenção da formação de gelo onde não é desejado (pára-brisas, linhas de energia) e para promover a formação de gelo onde estiver (preservação de alimentos ou órgãos). Os resultados também podem ajudar a melhorar a previsão do tempo.

Os pesquisadores apresentarão suas descobertas hoje no Encontro e Exposição Nacional do Outono de 2019 da American Chemical Society (ACS).

"Descobrimos que se olharmos para a estrutura da água líquida onde ela entra em contato com a superfície, podemos começar a entender e prever se uma determinada superfície irá promover ou inibir a formação de gelo, "diz Sapna Sarupria, Ph.D., investigador principal do projeto. "Estamos trabalhando com colaboradores para usar essas informações para entender melhor o papel do gelo no clima e para projetar superfícies que são boas ou ruins para a formação de gelo. Não seria ótimo ter um pára-brisa que não deixa o gelo grudar no inverno? "

A equipe de Sarupria usa computadores para estudar simulações moleculares de superfícies e formação de gelo. Ao contrário do mundo real mais confuso, essa configuração controlada dá a ela a capacidade de examinar o impacto de uma mudança em apenas um parâmetro de superfície - ou mesmo em apenas um átomo - por vez. Os pesquisadores então correlacionam as descobertas com as de experimentalistas que trabalham com materiais do mundo real, incluindo iodeto de prata ou minerais como mica e caulinita. O iodeto de prata é tão eficaz na promoção da formação de gelo que é usado para a semeadura de nuvens para estimular a chuva durante as secas.

Formação de gelo, ou nucleação, ocorre quando a água líquida passa por uma transição de fase para água sólida. A água também pode sofrer outras transições de fase, como mudar de gelo para líquido, ou vaporizar. Se essas transições ocorrem nas nuvens, eles podem formar gotas de chuva e neve. "Quando você quiser prever o tempo, você precisa saber como essas transições de fase acontecem, e essa é uma questão essencialmente aberta, "diz Sarupria, que está na Clemson University. Freqüentemente, essas mudanças ocorrem na presença de partículas como poeira mineral na atmosfera. O tipo e a quantidade de poeira determinam o tipo de precipitação que ocorre. "Estamos tentando entender como as diferentes superfícies das partículas de poeira afetam a transição da água da fase líquida para a fase sólida nas nuvens, " ela diz.

O bom e velho H ₂ O é apenas isso:um oxigênio ligado a dois hidrogênios. Esses hidrogênios são atraídos por algumas superfícies mais do que outras, e isso afeta como as moléculas de água se orientam em uma superfície. Seu arranjo em relação aos átomos de superfície em partículas de poeira e em relação a outras moléculas de água é realmente o fator mais importante na formação de gelo, A equipe de Sarupria descobriu. Essa descoberta também explica por que o iodeto de prata é um nucleador tão bom. Primeiro, seus átomos de superfície são dispostos de forma semelhante ao arranjo das moléculas de água no gelo, por isso é um modelo eficaz. Segundo, a carga positiva do íon prata e a carga negativa do iodo orientam os hidrogênios e os oxigênios da água líquida da maneira correta para que formem uma estrutura de gelo. "As distâncias entre os átomos, e este arranjo de cobranças, são muito importantes para o iodeto de prata ser um nucleador, "Sarupria diz.

Os pesquisadores agora estão colaborando com experimentalistas que estudam fenômenos atmosféricos para ajudá-los a explicar seus resultados. "Se pudermos modelar esses fenômenos, podemos ser capazes de compreender melhor o papel do gelo no clima, " Ela explica.

Sarupria também está aplicando seu conhecimento da estrutura da água para projetar superfícies que podem promover ou inibir a formação de gelo. Por exemplo, para evitar danos durante o armazenamento de alimentos ou criopreservação de órgãos, alguém no futuro poderia usar o novo conhecimento para formar gelo em temperaturas próximas de 32 F, o ponto de congelamento da água, em vez de em temperaturas mais baixas. Isso pode ser feito modificando a superfície da embalagem ou adicionando moléculas à solução para criopreservação. "Em outros casos, como pára-brisas e linhas de energia, você pode não querer que o gelo se forme, "Sarupria diz." Então, estamos tentando descobrir como fazer revestimentos ou superfícies que não deixem o gelo se formar, ou se se forma, isso não vai deixá-lo grudar. "Sua equipe também está tentando entender como as proteínas anticongelantes naturais ajudam peixes e outros organismos a sobreviver em condições frias." sejam essas proteínas ou partículas de poeira, tudo se resume a como eles afetam a estrutura da água, ", diz ela." Queremos usar essa informação para criar um parâmetro que possa nos ajudar a examinar rapidamente as superfícies quanto à sua capacidade de nucleação de gelo. "