Однако немного загадочно, как это происходит, потому что кристаллы льда представляют собой упорядоченные структуры молекул, а аэрозоли часто представляют собой неорганизованные куски. Новое исследование заслуженного профессора химии Валерии Молинеро и Атану К. Метя, которая сейчас работает в Индийском технологическом институте Патны, показывает, как кристаллы органических молекул, обычный компонент аэрозолей, могут выполнять свою работу.
Однако это не только история – это возврат к исследованиям засевания облаков времен холодной войны и исследование своеобразного эффекта памяти, при котором лед легче формируется на кристаллах во второй раз.
Исследование, финансируемое Управлением научных исследований ВВС США, опубликовано в Журнале Американского химического общества.
Возврат к засеву облаков
Исследования Молинеро сосредоточены на том, как образуется лед, в частности, на процессе зародышеобразования, который является началом образования кристаллов льда.
При правильных условиях молекулы воды могут образовывать лед самостоятельно. Но часто некоторый другой материал, называемый зародышеобразователем, может помочь процессу.
После нескольких исследований того, как белки могут способствовать образованию льда, Молинеро и Метя обратили свое внимание на органические зародыши льда (в данном случае «органические» означает органические соединения, содержащие углерод), поскольку они похожи на белки, образующие лед, и обнаружены в аэрозолях.
Но обзор научной литературы показал, что статьи, посвященные зарождению льда органическими соединениями, были опубликованы в 1950-х и 1960-х годах, и до недавнего времени после этого было очень мало дополнительных работ.
«Это сделало меня очень любопытным, – говорит Молинеро, – потому что сейчас есть большой интерес к органическим аэрозолям и к тому, способствуют ли они образованию льда в облаках и каким образом, но вся эта новая литература казалась отделенной от этих ранних фундаментальных исследований органических веществ. зародыши льда."
Дополнительные исследования показали, что ранние работы по органическим зародышам льда были связаны с изучением засева облаков, послевоенного направления исследований того, как частицы (в первую очередь йодид серебра) могут быть введены в атмосферу для стимулирования образования облаков и выпадения осадков.
Ученые исследовали свойства органических соединений как зародышей льда, чтобы увидеть, могут ли они быть экономически эффективными альтернативами йодиду серебра.
Но исследования засевания облаков потерпели крах в 1970-х годах после того, как политическое давление и опасения по поводу погодных изменений привели к запрету на практику ведения войны. Финансирование и интерес к органическим зародышам льда иссякли до недавнего времени, когда исследования климата подстегнули новый интерес к химии образования льда в атмосфере.
«В последние несколько лет наблюдается рост интереса к зарождению льда органическими аэрозолями, но это никак не связано с этими старыми исследованиями органических кристаллов», – говорит Молинеро. «Итак, я подумал, что пора их« спасти »в современной литературе."
Все классические
Флороглюцин – один из органических зародышеобразователей, изученных в середине 20 века. Он обещал контролировать туман, но меньше – засев облаков. Молинеро и Метя вновь обратились к флороглюцинолу, так как он доказал свою эффективность в образовании льда в лаборатории.
Один вопрос, на который нужно ответить, заключается в том, образует ли флороглюцин зародыш льда посредством классических или неклассических процессов. Когда лед зарождается сам по себе, без каких-либо поверхностей или других молекул, единственное препятствие, которое необходимо преодолеть, – это формирование стабильного кристаллита льда (размером всего около 500 молекул при некоторых условиях), на котором другие молекулы могут наращивать кристаллы льда. Это классическое зарождение.
Неклассическое зародышеобразование, связанное с поверхностью зародыша, происходит, когда слой молекул воды собирается на поверхности, на которой другие молекулы воды могут организоваться в кристаллическую решетку. Препятствием, которое необходимо преодолеть при неклассическом зародышеобразовании, является образование монослоя.
Что относится к флороглюцинолу?
В 1960-х годах исследователь Л.F. Эванс пришел к выводу, что это неклассический. "Я все еще удивлен, что он смог сделать вывод о существовании монослоя и сделать вывод о неклассическом механизме из экспериментов по замораживанию как функции одной только температуры!"Молинеро говорит.
Но Молинеро и Метя, используя молекулярное моделирование образования льда, обнаружили, что все сложнее.
«Мы обнаружили, что этап, который действительно решает, превратится ли вода в лед или нет, – это не образование монослоя, а рост кристаллита льда на его поверхности», – говорит Молинеро. "Это делает образование льда органическими веществами классическим, но не менее увлекательным."
Держась за воспоминания о льду
Исследователи также использовали свои методы моделирования для исследования интересного эффекта памяти, который ранее наблюдался с органическими и другими нуклеантами.
Когда лед образуется, тает и снова образуется с использованием этих зародышеобразователей, второй раунд кристаллизации более эффективен, чем первый. Предполагается, что лед полностью тает между кристаллизациями, и исследователи предложили несколько возможных объяснений.
Молинеро и Метя обнаружили, что эффект памяти не связан ни с тем, что лед изменяет поверхность зародыша, ни с монослоем воды, сохраняющимся на поверхности зародыша после плавления. Вместо этого их моделирование подтвердило объяснение, согласно которому трещины в зародышеобразователе могут удерживать небольшое количество льда, который тает при более высоких температурах, чем остальной лед в эксперименте.
Если эти щели примыкают к одной из поверхностей кристаллов зародышей, которые хорошо формируют лед, то это будет скачкообразно, когда начнется второй этап замораживания.
Что-то в воздухе
Остались и другие загадки – исследования органических кристаллов в середине века показали, что при высоком давлении, примерно в 1500 раз превышающем атмосферное, кристаллы столь же эффективны в организации молекул воды в лед, как и сам кристалл льда.
Почему? Это цель следующих экспериментов Молинеро.
Более того, флороглюцин – это естественное соединение в атмосфере, поэтому все, что исследователи могут узнать о нем и других органических зародышеобразователях, может помочь объяснить способность аэрозолей образовывать зародыши льда и регулировать образование облаков и осадков.
«Было бы важно исследовать, ответственны ли мелкие кристаллиты этих кристаллических зародышей льда за непонятную способность образования кристаллов льда у аморфных органических аэрозолей», – говорит Молинеро.