Vatten finns överallt och förekommer i många former: snö, slask, hagel, rimfrost och så vidare. Men trots att vatten är så vanligt förekommande har forskarna fortfarande inte fullständig kunskap om den dominerande fysikaliska processen som sker när vatten övergår från flytande till fast form.
Nu har forskare från Institutet för industriell vetenskap vid Tokyos universitet i en artikel publicerad i Journal of Colloid and Interface Science genomfört en serie simuleringar på molekylär nivå för att ta reda på varför is bildas lättare på ytor än i vattendrag.
Det är allmänt känt att vatten fryser vid 0 °C (32 °F), men vatten förvandlas inte omedelbart till is när denna temperatur nås. Istället börjar iskristaller bildas i små ”kärnor” och sprider sig genom vattnet i en process som kallas nukleation. Lägre temperaturer främjar nukleation och påskyndar därmed frysprocessen. På mikroskopisk nivå kan dock även andra faktorer spela en roll.
”Om man tittar på ett glas vatten som fryser märker man att isen först bildas vid gränssnittet mellan vattnet och glaset och sedan gradvis rör sig inåt”, säger Gang Sun, huvudförfattare till studien. ”Det är alltså tydligt att det sätt på vilket vattenmolekylerna interagerar med ytor är viktigt för nukleationsprocessen.”
För att förstå de mikroskopiska effekter som ligger bakom isbildning använde teamet avancerade, toppmoderna molekylära dynamiksimuleringar. Simuleringarna tog hänsyn till många fysikaliska parametrar, såsom temperatur och styrkan i intermolekylära växelverkan, men en parameter stack ut som särskilt överraskande.
Källa: Journal of Colloid and Interface Science (2025). DOI: 10.1016/j.jcis.2025.137812
”De flesta skulle anta att en ytas affinitet för is avgör nukleationsvägen”, förklarar Hajime Tanaka, seniorförfattare.
”Våra simuleringar visar dock att arrangemanget av vattenmolekyler i de två skikten närmast ytan är ännu viktigare. Denna strukturerade skiktning främjar bildandet av ett lågdimensionellt hexagonalt kristallgitter vid ytan, som sedan sprider sig in i massan.”
Med detta sagt förblir ytans hydrofilicitet (den styrka med vilken den attraherar vatten) en nyckelfaktor. Överdriven hydrofilicitet stör den dubbla hexagonala ordningen av vattenmolekyler, vilket hindrar kärnbildningen. Det finns dock en ”Goldilocks-zon” för isbildning, där ytinteraktionen varken är för stark eller för svag för att störa kristallisationen.
Denna kunskap ger forskarna ett verktyg med vilket de potentiellt skulle kunna kontrollera isbildningen, vilket skulle vara användbart för anti-isbeläggningar och andra material. Den föreslagna mekanismen kan också tillämpas på andra vätskor med andra tetraedriska bindningar, såsom kisel och kol.
Detta skulle då kunna ge viktig information till viktiga områden såsom klimatvetenskap och halvledartillverkning, där kontrollen av kärnbildnings händelser har samhälleliga och ekonomiska tillämpningar.
Mer information: Gang Sun et al, The secret role of water’s structure near surfaces in ice formation, Journal of Colloid and Interface Science (2025). DOI: 10.1016/j.jcis.2025.137812
