Uma equipe de pesquisadores desenvolveu um modelo teórico que explica como detalhes estruturais específicos em superfícies influenciam o ponto de congelamento da água, abrindo caminho para avanços no design de materiais para formação de gelo e melhor previsão do tempo. Crédito: SciTechDaily.com
A pesquisa revela um modelo matemático para a nucleação do gelo, mostrando como os ângulos da superfície afetam o ponto de congelamento da água, com aplicações na produção de neve e na semeadura de nuvens.
Desde formações de nuvens de aparência abstrata até o rugido das máquinas de neve nas pistas de esqui, a transformação da água líquida em gelo sólido afeta muitas facetas da vida. O ponto de congelamento da água é geralmente aceito em 32 graus Fahrenheit. Mas isso se deve à nucleação do gelo – as impurezas da água comum elevam o seu ponto de congelamento a esta temperatura. Agora, os investigadores revelam um modelo teórico que mostra como detalhes estruturais específicos nas superfícies podem influenciar o ponto de congelamento da água.
Resultados da pesquisa e suas implicações
Os pesquisadores apresentaram seus resultados na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2024 é uma reunião híbrida realizada virtualmente e pessoalmente de 17 a 21 de março; apresenta quase 12.000 apresentações sobre uma variedade de tópicos científicos.
“A nucleação do gelo é um dos fenômenos mais comuns na atmosfera”, diz Valeria Molinero, professora de física e química de materiais. “Nas décadas de 1950 e 1960, houve um aumento de interesse na nucleação de gelo para controlar o clima através da semeadura de nuvens e para outros objetivos militares. Alguns estudos abordaram como pequenas formas promovem a nucleação do gelo, mas a teoria não foi desenvolvida e ninguém fez nada quantitativo.”
Congelar água pode parecer simples, mas não para Yuqing Qiu e Valeria Molinero. Ao explorar a relação entre a química da superfície e a geometria, o processo de criação de gelo ou neve poderia tornar-se mais eficiente em termos energéticos, ajudando a criar nuvens ou a adicionar neve às montanhas. Yuqing apresentará a pesquisa na quarta-feira, 20 de março, na ACS Spring 2024 em Nova Orleans.
Quando as temperaturas caem, as moléculas da água líquida, que normalmente giram e passam umas pelas outras, perdem energia e ficam mais lentas. Depois de perderem energia suficiente, param, orientam-se para evitar repulsões e maximizar as atrações, e vibram no lugar, formando a rede cristalina de moléculas de água que chamamos de gelo. Quando a água líquida é completamente pura, o gelo pode não se formar até que a temperatura caia para gélidos –51 graus Fahrenheit; isso é chamado de super-resfriamento. Mas quando mesmo as mais ínfimas impurezas – fuligem, bactérias ou mesmo proteínas específicas – estão presentes na água, os cristais de gelo podem formar-se mais facilmente nas superfícies, resultando na formação de gelo a temperaturas superiores a -51 graus Fahrenheit.
Avanços no estudo de nucleação de gelo
Décadas de pesquisa revelaram tendências na forma como as formas e estruturas de diferentes superfícies afetam o ponto de congelamento da água. Num estudo anterior sobre proteínas de nucleação de gelo em bactérias, Molinero e a sua equipa descobriram que as distâncias entre os grupos de proteínas poderiam ter impacto na temperatura à qual o gelo se formou. “Havia distâncias muito favoráveis à formação de gelo e distâncias completamente opostas”, diz Molinero.
Tendências semelhantes foram observadas para outras superfícies, mas nenhuma explicação matemática foi encontrada. “Antes, as pessoas já tinham a sensação de ‘talvez uma superfície iniba ou promova a nucleação do gelo’, mas não há forma de explicar ou prever o que observaram experimentalmente”, diz Yuqing Qiu, pós-doutorando, que apresenta o trabalho na reunião. Tanto Qiu quanto Molinero realizaram esta pesquisa na Universidade de Utah, embora Qiu agora trabalhe na Universidade de Chicago.
Para colmatar esta lacuna, Molinero, Qiu e a equipa reuniram centenas de medições anteriormente relatadas sobre como os ângulos entre as saliências microscópicas numa superfície afectavam a temperatura de congelamento da água. Eles então testaram modelos teóricos em relação aos dados. Eles usaram os modelos para considerar fatores que estimulariam a formação de cristais de gelo, como a força com que a água se liga às superfícies e os ângulos entre as características estruturais.
No final, eles identificaram uma expressão matemática que mostra que certos ângulos entre as características da superfície tornam mais fácil para as moléculas de água se reunirem e cristalizarem em temperaturas relativamente mais altas. Eles dizem que seu modelo pode ajudar a projetar materiais com superfícies que fariam o gelo se formar de maneira mais eficiente com um consumo mínimo de energia. Os exemplos incluem fabricantes de neve ou gelo, ou superfícies adequadas para a semeadura de nuvens, que são usadas por vários estados ocidentais para aumentar as chuvas. Também poderia ajudar a explicar melhor como pequenas partículas minerais na atmosfera ajudam a formar nuvens através da nucleação do gelo, tornando potencialmente os modelos meteorológicos mais eficazes.
Direções Futuras na Pesquisa de Nucleação de Gelo
Os pesquisadores planejam usar este modelo para retornar aos estudos de proteínas nucleadoras de gelo em bactérias. Acredita-se que mais de 200 proteínas sejam proteínas nucleadoras de gelo, mas suas estruturas não são todas conhecidas. Os pesquisadores esperam estudar proteínas com estruturas que foram resolvidas com ferramentas de IA e, então, modelar como os agregados dessas proteínas afetam a formação de gelo.
Título
Os fabricantes de neve mais potentes
Abstrato
Vários organismos desenvolveram proteínas que controlam a formação de gelo. As bactérias nucleadoras de gelo são os agentes nucleadores de gelo mais potentes na biosfera e na atmosfera, contribuindo para a glaciação e precipitação das nuvens, e usadas rotineiramente para a produção sintética de neve. Essas bactérias possuem proteínas em sua membrana externa que são capazes de nuclear o gelo em temperaturas de até –1 °C. Esta apresentação discutirá nossa busca para elucidar os mecanismos pelos quais as proteínas bacterianas e outros potentes nucleantes de gelo promovem a cristalização da água, o que os torna tão notáveis e se podemos projetar materiais que os superem.
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pela Yen Fellowship do Instituto de Dinâmica Biofísica da Universidade de Chicago.
