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 deve-se à nucleação do gelo – as impurezas presentes na água corrente elevam o seu ponto de congelação para 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.

Os pesquisadores apresentarão seus resultados na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS).

“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 de gelo, mas a teoria não foi desenvolvida e ninguém fez nada quantitativo."

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.

“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.

"As pessoas antes já tinham a sensação de 'Ah, talvez uma superfície iniba ou promova a nucleação do gelo', mas não há maneira de explicar ou prever o que observaram experimentalmente", diz Yuqing Qiu, pós-doutorado, que está apresentando 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 afetavam 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.

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.