Mechanism of Water Freezing in Solutions: Solutes Affect the Formation of Critical Ice Nuclei

机制(生物学) 冰的形成 化学 情感(语言学) 凝结 化学物理 冰晶 材料科学 热力学 地质学 物理 大气科学 气象学 语言学 量子力学 哲学
作者
Hang Li,Rui Luo,Jie Liu,Haishan Cao,Yurui Gao,Guoying Bai
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05867
摘要

The microscopic mechanisms by which solutes modulate water freezing are fundamental for controlling the freezing of various environmental and cryobiotic systems. Although our understanding of the initiation mechanisms of pure water freezing is becoming clearer, the microscopic pictures regarding ice nucleation in complex systems such as solutions still rely on theory assumption and empirical formulation. Here, we experimentally demonstrate that solutes modulate water freezing through affecting critical ice nucleus formation. Upon addition of a solute, which can be quantified by the single parameter of water activity (aw), critical ice nuclei are more difficult to form because the solute increases the critical ice nucleus radius (r*) by decreasing aw. The value of r* that can be applied to solution systems depends firmly on not only the nucleation temperature but also aw. Furthermore, using molecular dynamics simulations, we give a microscopic picture of ice nucleus formation in solution and explain the underlying reasons for solute-induced changes in r*.
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