Un nouveau modèle explique pourquoi l’eau gèle à différentes températures

La formation de la glace, un phénomène omniprésent dans notre environnement, suscite depuis longtemps l’intérêt des chercheurs. Des études récentes menées par une équipe de scientifiques apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes qui régissent la nucléation de la glace, ouvrant ainsi la voie à de potentielles applications dans des domaines variés.

Valeria Molinero, professeure de chimie physique et des matériaux, et son équipe ont développé un modèle mathématique qui permet de prédire l’influence de la structure des surfaces sur la température de congélation de l’eau. Ce modèle, s’appuie sur l’analyse de centaines de mesures expérimentales antérieures.

Les chercheurs ont identifié une expression mathématique qui montre que certains angles entre les caractéristiques structurelles d’une surface facilitent la cristallisation des molécules d’eau à des températures relativement plus élevées. Cette découverte ouvre la voie à la conception de matériaux dont les surfaces favoriseraient la formation de glace de manière plus efficace, tout en minimisant l’apport énergétique nécessaire.

Des applications potentielles variées

Ce modèle pourrait trouver des applications dans divers domaines, tels que la fabrication de neige ou de glace artificielles, ou encore la conception de surfaces adaptées à l’ensemencement des nuages, une technique utilisée par plusieurs États de l’Ouest américain pour augmenter les précipitations.

En outre, cette étude pourrait contribuer à mieux comprendre le rôle des particules minérales présentes dans l’atmosphère dans la formation des nuages par nucléation de la glace, permettant ainsi d’améliorer l’efficacité des modèles météorologiques.

Perspectives de recherche sur les protéines de nucléation de la glace

Forts de ce modèle, les chercheurs envisagent de poursuivre leurs travaux sur les protéines de nucléation de la glace présentes chez les bactéries. Plus de 200 protéines sont supposées avoir cette propriété, mais leurs structures ne sont pas toutes connues.

L’équipe de recherche prévoit d’étudier les protéines dont les structures ont été résolues à l’aide d’outils d’intelligence artificielle, puis de modéliser l’impact des agrégats de ces protéines sur la formation de la glace.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes de nucléation de la glace et laisse entrevoir de nombreuses applications potentielles, tant dans le domaine de la météorologie que dans celui des matériaux.

Focus sur la nucléation de la glace

La nucléation de la glace est le processus par lequel les molécules d’eau s’organisent pour former les premiers cristaux de glace dans un liquide. C’est une étape cruciale dans la transformation de l’eau liquide en glace solide.

Dans l’eau pure, la nucléation de la glace ne se produit qu’à des températures très basses, autour de -51°F (-46°C). Cependant, la présence d’impuretés, même en quantités infimes, peut faciliter la nucléation de la glace à des températures plus élevées.

Ces impuretés, appelées noyaux glaçogènes, peuvent être des particules de différentes natures, telles que des poussières, des bactéries, ou même certaines protéines. Elles agissent comme des sites de nucléation, offrant une surface sur laquelle les molécules d’eau peuvent s’organiser plus facilement pour former des cristaux de glace.

La nucléation de la glace joue un rôle important dans de nombreux phénomènes naturels et applications pratiques, tels que :

• La formation des nuages et des précipitations
• La création de neige et de glace artificielles
• La congélation des aliments et la cryoconservation
• Les dommages causés par le gel aux infrastructures et aux organismes vivants

Comprendre les mécanismes de la nucléation de la glace et les facteurs qui l’influencent est essentiel pour mieux appréhender ces phénomènes et développer des applications dans des domaines variés, de la météorologie à l’industrie agroalimentaire en passant par la biologie.

La recherche a été financée par la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research et la bourse Yen de l’Institute for Biophysics Dynamics de l’université de Chicago.