El hielo es omnipresente e impacta profundamente nuestra vida diaria, influir en áreas como el cambio climático, transporte, y consumo de energía. Comprender el proceso de formación del hielo puede desacelerar la velocidad a la que los glaciares se derriten y el nivel del mar se elevan y aliviar otras preocupaciones ambientales importantes.

Dado que la formación de hielo se rige principalmente por la nucleación de hielo seguida del crecimiento de los núcleos, Los científicos han realizado un gran esfuerzo para comprender la termodinámica y la cinética detrás de los procesos de nucleación. La nucleación del hielo puede ocurrir de dos formas distintas:homogéneamente en agua a granel o heterogéneamente en la superficie de un material sólido, donde la nucleación heterogénea del hielo (HIN) es el modo predominante de formación de hielo en la tierra. Sin embargo, a diferencia de la nucleación homogénea del hielo, las interacciones agua-superficie presentes en HIN hacen que el proceso de nucleación sea sensible a las propiedades de la superficie. Comprender cómo las superficies impactan en el proceso de nucleación es un enfoque prometedor para predecir y controlar mejor los procesos de cristalización.

Un modelo común utilizado para cuantificar la cinética de nucleación basado en un marco termodinámico, teoría de nucleación clásica (CNT), sugiere que las moléculas de agua deben formar un núcleo de hielo de tamaño crítico antes de que ocurra un proceso de cristalización. La formación del núcleo de hielo crítico está asociada con una única barrera de energía libre, que debe superarse para desencadenar un mayor crecimiento de hielo. Sin embargo, A través de los años, Tanto los experimentos como las simulaciones han revelado que la CNT a menudo es insuficiente para describir algunos procesos complejos de nucleación. Como consecuencia, CNT ha sido objeto de un inmenso debate, y se han propuesto alternativamente teorías de nucleación no clásicas.

Diferente de CNT, que se basa en superar una única barrera de energía libre, Las teorías de nucleación no clásicas sugieren que los procesos de nucleación consisten en dos o más pasos separados por múltiples barreras de energía libre. Aunque las teorías de nucleación no clásicas pueden ser un modelo más sostenible, los mecanismos atomísticos y las evoluciones estructurales durante la formación del núcleo en vías de nucleación no clásicas no se conocen bien; y sigue siendo un desafío para las técnicas experimentales de desentrañar.

Ahora, por primera vez, un grupo de investigadores en HKUST dirigido por el Prof. eventos — para dilucidar los caminos conjuntos de HIN. Los HSH identifican estados intermedios de mezclas de hielo desordenadas y comparan rutas paralelas (clásicas frente a no clásicas). Esta ventaja ayudó a desentrañar los mecanismos subyacentes de los procesos de nucleación no clásicos y la coexistencia de las dos vías.

Estos investigadores muestran que la mezcla desordenada de hielo estabiliza el núcleo crítico y hace que la vía de nucleación no clásica sea tan accesible como la vía clásica. cuyo núcleo crítico consiste principalmente en hielo potencial favorecido por la energía. También descubrieron que a temperaturas elevadas, el proceso de nucleación prefiere proceder a través de la vía clásica ya que las contribuciones de energía potencial, que favorecen la vía clásica, prevalecer.

"Nuestro trabajo no solo descubre los mecanismos de los procesos de nucleación no clásicos, pero también demuestra cómo la combinación de MSM y TPT ofrece un marco poderoso para estudiar las evoluciones estructurales de los procesos de nucleación del hielo, ", dijo el profesor Huang." Más importante aún, este método se puede extender a otros procesos de nucleación de cristales que son difíciles de estudiar, lo que abrirá nuevas puertas para los científicos que intentan predecir y controlar los procesos de cristalización ".

Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza . El primer autor de este trabajo:el Dr. Chu Li es un afiliado de HKUST desde hace mucho tiempo que completó su doctorado, y actualmente realiza su formación postdoctoral en HKUST.