תופעות נקודת הקפאה: פתיחת הסודות המוזרים של גרעין קרח

מחקר חושף מודל מתמטי ליצירת גרעיני קרח, המראה כיצד זוויות פני השטח משפיעות על נקודת הקיפאון של המים, עם יישומים בייצור שלג וזריעת עננים.

מתצורות עננים מופשטות למראה ועד שאגות של מכונות שלג במדרונות סקי, הפיכת מים נוזליים לקרח מוצק נוגעת להיבטים רבים של החיים. נקודת הקיפאון של המים מקובלת בדרך כלל להיות 32 מעלות פרנהייט. אבל זה נובע מגרעין קרח – זיהומים במים יומיומיים מעלים את נקודת הקיפאון לטמפרטורה זו. כעת, חוקרים חושפים מודל תיאורטי שמראה כיצד פרטים מבניים ספציפיים על משטחים יכולים להשפיע על נקודת הקיפאון של המים.

ממצאי מחקר והשלכותיהם

החוקרים הציגו את תוצאותיהם במפגש האביב של האגודה האמריקאית לכימיה (ACS). ACS Spring 2024 הוא מפגש היברידי המתקיים באופן וירטואלי ובאופן אישי בין 17-21 במרץ; הוא כולל כמעט 12,000 מצגות במגוון נושאים מדעיים.

"גרעיני קרח היא אחת התופעות הנפוצות ביותר באטמוספרה", אומרת ולריה מולינרו, פרופסור לכימיה פיזיקלית וחומרים. "בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20, היה גל של עניין בגרעיני קרח כדי לשלוט במזג האוויר באמצעות זריעת עננים ולמטרות צבאיות אחרות. כמה מחקרים התייחסו לאופן שבו צורות קטנות מקדמות גרעיני קרח, אבל התיאוריה לא הייתה מפותחת, ואף אחד לא עשה שום דבר כמותי".

הקפאת מים עשויה להיראות פשוטה, אבל לא ליוצ'ינג צ'יו ולואלריה מולינרו. על ידי חקירת הקשר בין כימיה פני השטח לגיאומטריה, תהליך יצירת קרח או שלג יכול להיעשות יעיל יותר באנרגיה, לעזור ליצור עננים או להוסיף שלג להרים. Yuqing תציג את המחקר ביום רביעי, 20 במרץ ב-ACS Spring 2024 בניו אורלינס.

כשהטמפרטורות יורדות, המולקולות במים נוזליים, שבדרך כלל מסתובבות וחולפות זו על פני זו, מאבדות אנרגיה ומאטות. ברגע שהם מאבדים מספיק אנרגיה, הם נעצרים, מכוונים את עצמם כדי להימנע מדחייה ולמקסם אטרקציות, ורוטטים במקום, ויוצרים את הרשת הגבישית של מולקולות המים שאנו מכנים קרח. כאשר מים נוזליים טהורים לחלוטין, קרח עלול שלא להיווצר עד שהטמפרטורה תרד ל-51 מעלות פרנהייט קרירה; זה נקרא סופר-קירור. אבל כאשר אפילו הזיהומים הזעירים ביותר – פיח, חיידקים, או אפילו חלבונים מסוימים – נמצאים במים, גבישי קרח יכולים להיווצר ביתר קלות על המשטחים, וכתוצאה מכך להיווצרות קרח בטמפרטורות חמות מ-51 מעלות פרנהייט.

התקדמות בחקר גרעיני קרח

עשרות שנים של מחקר חשפו מגמות כיצד הצורות והמבנים של משטחים שונים משפיעים על נקודת הקיפאון של המים. במחקר קודם על חלבונים היוצרים גרעיני קרח בתוך חיידקים, מצאו מולינרו והצוות שלה שהמרחקים בין קבוצות החלבונים יכולים להשפיע על הטמפרטורה שבה נוצר קרח. "היו מרחקים שהיו נוחים מאוד להיווצרות קרח, ומרחקים הפוכים לחלוטין", אומר מולינרו.

מגמות דומות נצפו עבור משטחים אחרים, אך לא נמצא הסבר מתמטי. "לאנשים בעבר כבר הייתה תחושה של 'אוי אולי משטח יעכב או יקדם גרעיני קרח', אבל אין דרך להסביר או לחזות מה הם צפו בניסוי", אומר יוקינג צ'יו, פוסט-דוקטורט, שמציג את העבודה בפגישה. גם צ'יו וגם מולינרו ביצעו את המחקר הזה באוניברסיטת יוטה, אם כי צ'יו עובד כעת ב- אוניברסיטת שיקגו.

כדי להתמודד עם הפער הזה, Molinero, Qiu והצוות אספו מאות מדידות שדווחו בעבר על האופן שבו הזוויות בין בליטות מיקרוסקופיות על פני השטח השפיעו על טמפרטורת הקפאה של המים. לאחר מכן הם בדקו מודלים תיאורטיים מול הנתונים. הם השתמשו במודלים כדי לשקול גורמים שיעודדו היווצרות גבישי קרח, כמו כמה חזק מים נקשרים למשטחים ולזוויות בין מאפיינים מבניים.

בסופו של דבר, הם זיהו ביטוי מתמטי שמראה שזוויות מסוימות בין תכונות פני השטח מקלות על מולקולות מים להתאסף ולהתגבש בטמפרטורות חמות יחסית. הם אומרים שהמודל שלהם יכול לעזור לעצב חומרים עם משטחים שיגרמו לקרח להיווצר ביעילות רבה יותר עם הזנת אנרגיה מינימלית. דוגמאות כוללות יצרני שלג או קרח, או משטחים המתאימים לזריעת עננים, המשמשים מספר מדינות מערביות להגברת הגשמים. זה יכול גם לעזור להסביר טוב יותר כיצד חלקיקי מינרלים זעירים באטמוספירה עוזרים ליצור עננים דרך גרעיני קרח, מה שעשוי להפוך את מודלי מזג האוויר ליעילים יותר.

כיוונים עתידיים בחקר גרעיני קרח

החוקרים מתכננים להשתמש במודל זה כדי לחזור למחקריהם על חלבונים היוצרים גרעיני קרח בחיידקים. מאמינים שיותר מ-200 חלבונים הם חלבונים היוצרים גרעיני קרח, אך לא כולם ידועים. החוקרים מקווים לחקור חלבונים עם מבנים שנפתרו בעזרת כלי בינה מלאכותית, ולאחר מכן הם ידגמו כיצד אגרגטים של חלבונים אלה משפיעים על יצירת קרח.

כותרת
יצרני השלג החזקים ביותר

תַקצִיר
מספר אורגניזמים פיתחו חלבונים השולטים ביצירת קרח. חיידקים היוצרים גרעיני קרח הם הגורמים החזקים ביותר היוצרים גרעיני קרח בביוספרה ובאטמוספירה, תורמים לקרחון עננים ומשקעים, ומשמשים באופן שגרתי לייצור סינתטי של שלג. לחיידקים אלה יש חלבונים בקרום החיצוני שלהם המסוגלים ליצור גרעיני קרח בטמפרטורות גבוהות כמו -1 מעלות צלזיוס. מצגת זו תדון במסע שלנו להבהיר את המנגנונים שבאמצעותם חלבוני חיידקים וגרעיני קרח חזקים אחרים מקדמים התגבשות מים, מה הופך אותם למצטיינים כל כך, והאם אנו יכולים לעצב חומרים שעולים עליהם.

המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע, משרד חיל האוויר למחקר מדעי ומלגת ה-Yen מהמכון לדינמיקה בביופיזיקה באוניברסיטת שיקגו.