物理学家科学冰形成的裂纹

和溶质浓度越高,冰形式越慢。这就是为什么溶质或“冷冻保护剂,”被添加到蛋白质、细胞、组织甚至尸体减缓低温贮藏期间冻结成冰。

吸引了这个过程,而知之甚少,康奈尔大学的物理学家发现,各种常见的冷冻保护剂,冰形成的时间与浓度有一个简单的指数变化。这是第一分子水平理解如何溶质减缓冰的形成,并从气候物理领域的影响低温贮藏和人工授精。

马修·Warkentin物理学博士后和物理学教授罗伯特·索恩和詹姆斯Sethna,这些研究结果在线发表在1月份物理评论快报。

在过冷纯水冰形式1微秒(1000000秒)。那时候被乘以10每增加溶质浓度增加。glycerol-water 50%解决方案,例如,冰的形成可以几乎一分钟。

简单指数行为暗示可能会有一个相应的简单解释,Warkentin说。

为了让冰形式,大约50个水分子的小型集群必须形成一个水晶“核”;更小的集群会缩小和消失,但更大的集群将保持增长,只要液态水是可用的。研究人员推测,溶质分子的“妨碍”水分子试图形成一个原子核。

通过计算的概率找到一个核尺寸体积免费预防的溶质分子成核,它们派生指数依赖溶质浓度和能够定量为八个不同的溶质复制数据,从盐糖酒精。结果简单使用统计力学理论扩展经典成核理论。

在看工作对气候变化的影响,例如,索恩表示,现代气候模型必须考虑测量地球的反省,这是受到云层的影响。这反过来需要了解何时和为什么云粒子结晶或保持液态。

此外,低温贮藏是广泛应用于医学和生物技术,冰的形成可以是致命的细胞和组织。生育诊所通常冷冻精子、卵子受精胚胎,和几乎所有国内牛和猪传播使用冷冻保存精液,索恩表示。

除了它的简单性,新理论的一个激动人心的特性是它能够概括其他液体和任何系统经历成核,研究人员补充说。

这项工作是由美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院。