犹他大学的保罗·加布里埃尔森 模拟显示水分子(蓝色)在间苯三酚晶体的不同面上排列成冰晶晶格(绿色)
学分:瓦莱里娅·莫利内罗/犹他大学 云的核心是冰晶
冰晶的核心通常是气溶胶粒子——大气中的灰尘，冰在上面比在户外更容易形成
然而，这是如何发生的有点神秘，因为冰晶是有序的分子结构，而气溶胶通常是无组织的大块
杰出的化学教授瓦莱里娅·莫利内罗和阿塔努·克的新研究
现在在印度理工学院工作的梅特亚展示了有机分子晶体是如何完成这项工作的，有机分子晶体是气溶胶的一种常见成分
然而，故事远不止于此——这是对冷战时期人工降雨研究的回顾，也是对一种特殊记忆效应的研究，这种效应使得冰更容易在这些晶体上形成
这项由空军科学研究办公室资助的研究发表在《美国化学学会杂志》上
回归人工降雨 莫里尼奥的研究集中在冰是如何形成的，特别是成核过程，这是冰晶形成的开始
在适当的条件下，水分子可以自己使冰成核
但是通常其他一些被称为成核剂的物质可以帮助这个过程
在对蛋白质帮助形成冰的方式进行了几次研究后，莫利内罗和梅特亚将注意力转向了有机冰成核剂(这里使用的“有机”是指含有碳的有机化合物)，因为它们类似于产生冰的蛋白质，存在于空气中的气溶胶中
但是，对科学文献的回顾发现，讨论有机化合物冰成核的论文来自20世纪50年代和60年代，此后几乎没有后续工作，直到最近
“这让我很好奇，”莫利内罗说，“因为现在人们对有机气溶胶以及它们是否以及如何促进云中冰的形成很感兴趣，但是所有这些新的文献似乎都与有机冰核的早期基础研究无关
" 额外的研究表明，关于有机冰核的早期工作与人工降雨的研究有关，人工降雨是战后研究如何将粒子(主要是碘化银)引入大气层以促进云的形成和降水的一种方法
科学家探索了有机化合物作为冰核的特性，看看它们是否是碘化银的经济有效的替代品
但是，在政治压力和对人工影响天气的恐惧导致禁止在战争中使用人工影响天气后，人工影响天气研究在20世纪70年代崩溃
直到最近，对有机冰核的资助和兴趣都消失了，当时气候研究激发了人们对大气中冰形成化学的新兴趣
“在过去的几年里，人们对有机气溶胶引起的冰成核现象越来越感兴趣，但这与过去对有机晶体的研究没有任何联系，”莫利内罗说
“所以，我认为是时候把他们“拯救”进现代文学了
" 全力以赴 间苯三酚是20世纪中期研究的有机成核剂之一
它显示出控制雾的希望，但对人工降雨的希望较小
莫利内罗和梅特亚在实验室中重新研究了间苯三酚，因为它被证明对冰成核很有效
需要回答的一个问题是，间苯三酚是否通过经典或非经典过程使冰成核
当冰在没有任何表面或其他分子的情况下自行成核时，唯一要克服的障碍是形成稳定的冰微晶(在某些条件下只有大约500个分子大小)，其他分子可以在其上生长冰晶
这是经典成核
非经典成核，包括成核剂表面，当一层水分子聚集在表面上时，其他水分子可以在表面上组织成晶格
非经典成核要克服的障碍是单层的形成
哪个适用于间苯三酚？20世纪60年代，研究员L
F
埃文斯断定这是非经典的
“我仍然感到惊讶的是，他能够推导出单层的存在，并从仅仅作为温度函数的冷冻实验中推断出其机制是非经典的！”莫里尼奥说
但是莫利内罗和梅特亚利用分子模拟冰是如何形成的，发现它更复杂
“我们发现，真正决定水是否转化为冰的步骤不是单层的形成，而是顶部冰微晶的生长，”莫利内罗说
“这使得有机物形成冰成为经典，尽管同样迷人
" 抓住冰的记忆 研究人员还使用他们的模拟方法来研究以前用有机和其他核物质观察到的有趣的记忆效应
当冰形成、融化并使用这些成核剂再次形成时，第二轮结晶比第一轮更有效
假设冰在结晶过程中完全融化，研究人员提出了几种可能的解释
莫利内罗和梅特亚发现，记忆效应不是由于冰改变了成核物质的表面，也不是由于融化后成核物质表面的单层水
相反，他们的模拟支持了一种解释，即在实验中，成核剂的裂缝可以容纳少量的冰，这些冰在比其余冰更高的温度下融化
如果这些裂缝靠近一个善于成冰的晶核表面，那么当第二轮冰冻开始时，它就会跑到冰原上去
空气中有东西 其他的谜团依然存在——本世纪中叶对有机晶体的研究发现，在大约1500倍大气压的高压下，这些晶体将水分子组织成冰的效率与冰晶本身一样高
为什么？这是莫里尼奥下一步实验的重点
然而，更直接的是，间苯三酚是大气中的一种天然化合物，因此研究人员能够了解到的关于它和其他有机成核剂的任何东西都有助于解释气溶胶使冰成核并调节云和降水形成的能力
“研究这些结晶冰成核剂的小微晶是否是无定形有机气溶胶阻碍冰成核能力的原因是很重要的，”莫利内罗说
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