[論文レビュー] Some peculiarities of water freezing at small sub-zero temperatures

Alexei V. Finkelstein|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2020

nanoparticles nucleation surface interactions参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、微小な氷点未満の温度における水の凍結kineticsを調査し、体積核化が極めて遅く、自然環境（湖や細胞など）では実質的に不可能であることを示している。氷核化は氷結合表面を必要とし、通常は0°Cより数℃低い温度でしか発生せず、空気との接触や生物的表面が核化時間を顕著に短縮することがある。

ABSTRACT

I consider the kinetics of water freezing and show that, at small sub-zero temperatures, (i) the time of ice nucleation within the bulk water environment is enormous and therefore cannot take place either in lakes of in living cells; (ii) that the ice nucleation needs some ice-binding surfaces to occur, but (iii) even this kind of ice nucleation can take place, as a rule, only at the temperatures that are a few degrees below 0oC. Further, I discuss factors that can drastically reduce the ice nucleation time at nearly-zero temperatures both in open reservoirs, where water contacts with air, and in cells, where there is no such contact.

研究の動機と目的

• 微小な氷点未満の温度における体積水の氷核化の根本的 kinetic障壁を理解すること。
• 湖や細胞などの自然系が氷点未満でも凍結しない理由を説明すること。
• 近氷点温度での核化を可能にする表面の役割を特定すること。
• 開放的な水体および細胞環境における氷核化時間を短縮する要因を分析すること。
• 現実的な環境における実用的な氷核化の温度閾値を明確にすること。

提案手法

• 古典的核化理論を用いた過冷水中における氷核化kineticsの解析的モデリング。
• さまざまな氷点未満温度における体積核化に要する時間を評価すること。
• 氷結合表面を含む異方的核化メカニズムの評価。
• 開放的水体（空気接触あり）と閉鎖系（例：細胞）における核化時間の比較。
• 表面接触や不純物といった環境要因を核化速度計算に組み込むこと。
• 熱力学的およびkineticパラメータを用いて、氷点未満温度範囲における核化timescaleを推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ微小な氷点未満温度における体積水中では氷が自発的に核化しないのか？
• RQ2 氷結合表面はどのようにして近氷点温度での核化を可能にするのか？
• RQ3 自然系における異方的核化が現実的に可能になる温度範囲は何か？
• RQ4 空気接触および細胞内封閉状態は、氷核化時間にどのように影響するか？
• RQ5 氷点未満水中における氷核化に要する時間を顕著に短縮する要因は何か？

主な発見

• 微小な氷点未満温度（例：-1°C から -5°C）における体積氷核化は、天文学的なtimescaleを要し、実用的には不可能である。
• 湖や細胞における氷核化は、その極めて長いtimescaleのため、体積核化メカニズムでは発生できない。
• 氷核化を可能にするには、氷結合表面を介する異方的核化が必要であるが、このプロセスは通常0°Cより数℃低い温度に限られる。
• 開放的水体における空気-水界面の存在は、孤立した体積水に比べて氷核化時間を顕著に短縮する。
• 空気接触がなくても、適切な氷結合分子や表面が存在すれば、細胞内環境でも核化が進行しうる。
• 本研究は、近氷点温度での核化が、自発的体積核化ではなく、表面を介したメカニズムを通じてのみ現実的に可能であることを確認した。