Papel de la proximidad interfacial a nanoescala en el congelamiento por contacto en agua

Área de la Ciencia:

• Química de la atmósfera
• Ciencias de los materiales
• Química Física

Sus antecedentes:

• La congelación por contacto mejora la nucleación de hielo heterogéneo, pero su mecanismo molecular sigue sin estar claro.
• Las teorías anteriores se centraron en las perturbaciones inducidas por la colisión, pero la evidencia reciente sugiere que la proximidad a nanoescala es crucial.
• La comprensión de la congelación por contacto es vital para el modelado atmosférico preciso y las aplicaciones de la ciencia de los materiales.

Objetivo del estudio:

• Para aclarar el mecanismo molecular detrás de la mejora cinética observada en la congelación por contacto.
• Investigar el papel de la proximidad a nanoescala entre las partículas nucleantes de hielo (INP) y las interfaces de agua.
• Establecer un vínculo entre la propensión a la congelación superficial y las tasas de nucleación mejoradas durante la congelación por contacto.

Principales métodos:

• Núcleo de hielo heterogéneo simulado dentro de nanofilmes soportados por INP de líquidos tetraédricos modelo.
• Analizó la influencia de la proximidad a nanoescala y las propiedades interfaciales en las tasas de nucleación.
• Investigó las características estructurales y energéticas de los núcleos cristalinos formados durante la nucleación de contacto.

Principales resultados:

• La proximidad a nanoescala de los INP y las interfaces de agua es suficiente para aumentar las tasas de nucleación, imitando las observaciones experimentales.
• Esta mejora cinética depende de que la interfaz libre posea una propensión a mejorar la nucleación homogénea (propensión a la congelación de la superficie).
• La nucleación más rápida ocurre a través de un nuevo mecanismo que involucra núcleos en forma de reloj de arena, distinto de la nucleación heterogénea clásica.

Conclusiones:

• El estudio conecta la propensión a la congelación de la superficie con la mejora cinética en la nucleación de contacto.
• Los hallazgos proporcionan información sobre la nucleación del hielo en superficies complejas y no uniformes como los materiales biológicos y poliméricos.
• Los resultados pueden mejorar las mediciones experimentales de las tasas de nucleación heterogéneas y los modelos atmosféricos.