Wissenschaftler entdecken eine ungewöhnliche neue Form von Eis

Forscher aus Japan haben eine neue Eisform namens Ice-0 entdeckt, die zur Bildung von Eiskristallen in unterkühltem Wasser beitragen kann. Ihre Studie zeigt, dass es aufgrund von Eis-0-ähnlichen Strukturen in der Nähe der Oberfläche von Wassertröpfchen zur Eiskeimbildung kommen kann, und löst damit eine seit langem bestehende Debatte. Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf verschiedene Bereiche, darunter Klimastudien und Lebensmittelwissenschaften, indem sie unser Verständnis der Eisbildung verbessern.

Eis ist komplexer, als die meisten Menschen glauben. Die Wissenschaft hat mehr als zwanzig verschiedene Eisarten identifiziert, die sich unter unterschiedlichen Kombinationen von Druck und Temperatur bilden. Die Art, die wir zum Kühlen unserer Getränke verwenden, das sogenannte erste Eis, ist eine der wenigen Formen, die auf der Erde natürlich vorkommen. Kürzlich haben Forscher aus Japan einen anderen Typ entdeckt: Eis 0, eine ungewöhnliche Form von Eis, die in unterkühltem Wasser Eiskristalle bilden kann.

Die Eisbildung nahe der Oberfläche von flüssigem Wasser kann von winzigen kristallinen Vorläufern ausgehen, deren Struktur einer seltenen Eisart ähnelt, die als Eis 0 bekannt ist. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in NaturkommunikationForscher der Forschungsabteilung für soziale Zusammenarbeit „Ice Protection Science“ am Institute of Industrial Science der Universität Tokio haben gezeigt, dass diese eisähnlichen Strukturen dazu führen können, dass ein Wassertropfen in der Nähe seiner Oberfläche und nicht in seinem Kern gefriert. Diese Entdeckung löst ein seit langem bestehendes Rätsel und könnte dazu beitragen, unser Verständnis der Eisbildung neu zu definieren.

Eiskernbildungsprozess

Die Eiskristallisation, auch Eiskeimbildung genannt, erfolgt meist heterogen, also auf einer festen Oberfläche. Dies geschieht normalerweise an der Oberfläche des Wasserbehälters, wo die Flüssigkeit auf den Feststoff trifft. Diese neue Forschung zeigt jedoch, dass die Eiskristallisation auch knapp unter der Wasseroberfläche stattfinden kann, wo sie auf die Luft trifft. Dabei kristallisiert das Eis um kleine Vorläufer herum, die die gleiche charakteristische kreisförmige Struktur wie Eis 0 aufweisen.

„Die Simulation zeigte, dass ein Wassertropfen unter isothermen Bedingungen eher in der Nähe der freien Oberfläche kristallisiert. Dies löst eine langjährige Debatte darüber, ob die Kristallisation leichter an der Oberfläche oder im Inneren erfolgt“, sagt Gang Sun, Hauptautor der Studie .

Forscher des Institute of Industrial Science der Universität Tokio haben herausgefunden, dass sich in der Nähe der Wasseroberfläche Eis durch Strukturen zu bilden beginnt, die einer kürzlich entdeckten seltenen Eisart ähneln, was uns dabei hilft, die Eisbildung besser zu verstehen. Quelle: Institut für Industriewissenschaften, Universität Tokio

Eisvorläufer 0

Die Vorgänger von Ice 0 haben eine Struktur, die unterkühltem Wasser sehr ähnlich ist, wodurch Wassermoleküle leichter daraus kristallisieren können, ohne dass sie sich direkt in der Struktur von normalem Eis bilden müssen. Kleine Eisvorläufer bilden sich spontan aufgrund von Unterdruckeffekten, die durch die Oberflächenspannung von Wasser verursacht werden. Sobald die Kristallisation dieser Vorläufer beginnt, ordnen sich Eis-0-ähnliche Strukturen schnell in das häufiger vorkommende Eis I um.

Der Hauptautor Hajime Tanaka betonte die weitreichenden Implikationen dieser Studie und stellte fest, dass „die Erkenntnisse über den Mechanismus der Wasseroberflächenkristallisation voraussichtlich einen erheblichen Beitrag zu verschiedenen Bereichen leisten werden, darunter Klimastudien und Lebensmittelwissenschaften, in denen die Wasserkristallisation eine entscheidende Rolle spielt.“ Rolle.“

Ein detaillierteres Verständnis des Eises und seiner Entstehung kann unschätzbare Einblicke in eine Vielzahl von Forschungsbereichen liefern. Diese Arbeit könnte beispielsweise in der Meteorologie von besonderem Interesse sein, wo die Eisbildung durch eisähnliche 0-Vorläufer möglicherweise einen stärkeren Effekt auf kleine Wassertröpfchen, beispielsweise in Wolken, hat. Das Verständnis von Eis könnte auch in der Technologie von Nutzen sein, von der Lebensmittelwissenschaft bis zur Klimatisierung.

Referenz: „Oberflächeninduzierte Wasserkristallisation aufgrund von in Unterdruckregionen gebildeten Vorläufern“ von Gang Sun und Hajime Tanaka, 26. Juli 2024, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-024-50188-1