Une équipe de chercheurs a développé un modèle théorique expliquant comment des détails structurels spécifiques sur les surfaces influencent le point de congélation de l’eau, ouvrant la voie à des progrès dans la conception de matériaux pour la formation de glace et à de meilleures prévisions météorologiques. Crédit : Issues.fr.com
La recherche dévoile un modèle mathématique pour la nucléation de la glace, montrant comment les angles de surface affectent le point de congélation de l’eau, avec des applications dans l’enneigement et l’ensemencement des nuages.
Des formations nuageuses d’apparence abstraite aux rugissements des motoneiges sur les pistes de ski, la transformation de l’eau liquide en glace solide touche de nombreuses facettes de la vie. Le point de congélation de l’eau est généralement estimé à 32 degrés. Fahrenheit. Mais cela est dû à la nucléation de la glace : les impuretés présentes dans l’eau quotidienne élèvent son point de congélation à cette température. Aujourd’hui, les chercheurs dévoilent un modèle théorique qui montre comment des détails structurels spécifiques sur les surfaces peuvent influencer le point de congélation de l’eau.
Résultats de la recherche et leurs implications
Les chercheurs ont présenté leurs résultats lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS). L’ACS printemps 2024 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 17 au 21 mars ; il propose près de 12 000 présentations sur une gamme de sujets scientifiques.
« La nucléation de la glace est l’un des phénomènes les plus courants dans l’atmosphère », explique Valeria Molinero, professeur de physique et de chimie des matériaux. « Dans les années 1950 et 1960, il y a eu un regain d’intérêt pour la nucléation de la glace pour contrôler les conditions météorologiques grâce à l’ensemencement des nuages et pour d’autres objectifs militaires. Certaines études ont abordé la façon dont les petites formes favorisent la nucléation de la glace, mais la théorie n’était pas développée et personne n’a fait quoi que ce soit de quantitatif.
Geler de l’eau peut sembler simple, mais pas pour Yuqing Qiu et Valeria Molinero. En explorant la relation entre la chimie de la surface et la géométrie, le processus de création de glace ou de neige pourrait être rendu plus économe en énergie, contribuant ainsi à créer des nuages ou à ajouter de la neige aux montagnes. Yuqing présentera la recherche le mercredi 20 mars à l’ACS Spring 2024 à la Nouvelle-Orléans.
Lorsque les températures baissent, les molécules de l’eau liquide, qui se déplacent normalement à toute vitesse et se croisent, perdent de l’énergie et ralentissent. Une fois qu’ils ont perdu suffisamment d’énergie, ils s’arrêtent, s’orientent pour éviter les répulsions et maximiser les attractions, et vibrent sur place, formant le réseau cristallin de molécules d’eau que nous appelons glace. Lorsque l’eau liquide est complètement pure, la glace peut ne pas se former jusqu’à ce que la température atteigne une température glaciale de –51 degrés Fahrenheit ; c’est ce qu’on appelle la surfusion. Mais lorsque même les plus petites impuretés – suie, bactéries ou même protéines particulières – sont présentes dans l’eau, des cristaux de glace peuvent se former plus facilement sur les surfaces, entraînant la formation de glace à des températures supérieures à -51 degrés Fahrenheit.
Progrès dans l’étude sur la nucléation de la glace
Des décennies de recherche ont révélé des tendances dans la manière dont les formes et les structures des différentes surfaces affectent le point de congélation de l’eau. Dans une étude antérieure sur les protéines nucléatrices de la glace au sein des bactéries, Molinero et son équipe ont découvert que les distances entre les groupes de protéines pouvaient avoir un impact sur la température à laquelle la glace se formait. « Il y avait des distances très favorables à la formation de la glace, et des distances complètement opposées », explique Molinero.
Des tendances similaires ont été observées pour d’autres surfaces, mais aucune explication mathématique n’a été trouvée. « Auparavant, les gens avaient déjà le sentiment de ‘oh, peut-être qu’une surface inhiberait ou favoriserait la nucléation de la glace’, mais aucun moyen d’expliquer ou de prédire ce qu’ils observaient expérimentalement », explique Yuqing Qiu, postdoctorant, qui présente les travaux lors de la réunion. Qiu et Molinero ont tous deux mené ces recherches à l’Université de l’Utah, bien que Qiu travaille désormais à l’Université de l’Utah. Université de Chicago.
Pour combler cette lacune, Molinero, Qiu et leur équipe ont rassemblé des centaines de mesures précédemment rapportées sur la manière dont les angles entre les bosses microscopiques d’une surface affectaient la température de congélation de l’eau. Ils ont ensuite testé des modèles théoriques par rapport aux données. Ils ont utilisé les modèles pour prendre en compte les facteurs susceptibles d’encourager la formation de cristaux de glace, tels que la force avec laquelle l’eau se lie aux surfaces et les angles entre les éléments structurels.
En fin de compte, ils ont identifié une expression mathématique qui montre que certains angles entre les caractéristiques de la surface facilitent la collecte et la cristallisation des molécules d’eau à des températures relativement plus chaudes. Ils disent que leur modèle peut aider à concevoir des matériaux avec des surfaces qui permettraient à la glace de se former plus efficacement avec un apport d’énergie minimal. Les exemples incluent les machines à neige ou à glace, ou les surfaces adaptées à l’ensemencement des nuages, qui sont utilisées par plusieurs États occidentaux pour augmenter les précipitations. Cela pourrait également aider à mieux expliquer comment les minuscules particules minérales présentes dans l’atmosphère contribuent à la formation des nuages grâce à la nucléation de la glace, rendant potentiellement les modèles météorologiques plus efficaces.
Orientations futures de la recherche sur la nucléation de la glace
Les chercheurs prévoient d’utiliser ce modèle pour revenir à leurs études sur les protéines glaciogènes chez les bactéries. On pense que plus de 200 protéines sont des protéines nucléatrices de la glace, mais leurs structures ne sont pas toutes connues. Les chercheurs espèrent étudier des protéines dont les structures ont été résolues avec des outils d’IA, puis modéliseront la manière dont les agrégats de ces protéines affectent la formation de glace.
Titre
Les enneigeurs les plus puissants
Abstrait
Plusieurs organismes ont développé des protéines qui contrôlent la formation de glace. Les bactéries génératrices de glace sont les agents de nucléation de glace les plus puissants de la biosphère et de l’atmosphère, contribuant à la glaciation et aux précipitations des nuages, et couramment utilisées pour la production synthétique de neige. Ces bactéries possèdent dans leur membrane externe des protéines capables de nucléer la glace à des températures pouvant atteindre –1 °C. Cette présentation discutera de notre quête visant à élucider les mécanismes par lesquels les protéines bactériennes et autres puissants nucléants de glace favorisent la cristallisation de l’eau, ce qui les rend si remarquables et si nous pouvons concevoir des matériaux qui les surpassent.
La recherche a été financée par la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research et la Yen Fellowship de l’Institute for Biophysics Dynamics de l’Université de Chicago.
