Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Cool ice simulation

28.03.2002


Cracking ice took six years and a supercomputer.
© Nature


Computers finally catch up with freezing water.

... mehr zu:
»Cool »ICE

Beneath the familiar business of water freezing to ice lies a process so complex it has taken Japanese researchers six years to make the first realistic computer simulation of it1.

Iwao Ohmine and his colleagues at Nagoya University pinned down water’s capricious path from liquid to solid using a supercomputer. They calculated changes in the relative orientation of water molecules from the forces acting between them. After many such calculations on 512 water molecules and "a long, long wait", they finally spotted one freezing event.


The team found that the spontaneous appearance of several unusually long-lasting hydrogen bonds between water molecules in one location is the crucial first step in forming ice. This nucleus slowly changes shape and size until more stable bonds rapidly spread throughout the system, turning the liquid to ice.

Just a phase

The process of a liquid becoming a solid is called a phase transformation. At high temperatures, thermal energy pushes individual molecules or atoms around. As the temperature falls, that energy diminishes, so the molecules or atoms move less and less.

At the freezing point, the interaction between the molecules or atoms is larger than the thermal energy. So the most stable state is solid matter, with a regular, crystalline structure.

In simple liquids such as molten metals or salts, this transformation proceeds smoothly. But in water, it is as though the molecules are lost in mountainous terrain without a map - they wander many valleys and passes before finally finding home.

The problem is that water molecules have a penchant for fleeting, orientation-dependent interactions with their neighbours. This means that liquid water can adopt many different microscopic structures separated by only small energy barriers.

Water can move between these without reaching a configuration that triggers the transformation to solid ice. This behaviour also explains ’supercooling’ - water’s propensity to remain liquid even when cooled well below its freezing point.

References

  1. Matsumoto, M., Saito, S. & Ohmine, I.. Molecular dynamics simulation of the ice nucleation and growth process leading to water freezing. Nature, 416, 409 - 413, (2002).


MAGDELENA HELMER | © Nature News Service

Weitere Berichte zu: Cool ICE

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht „Fingerabdruck“ überführt Lebensmittelfälscher
29.11.2019 | Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR)

nachricht Tätowierungen entfernen mit Laser und Ultraschall - Forschungsprojekt entwickelt neues Verfahren
27.11.2019 | Technische Hochschule Köln

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...

Im Focus: Neue Klimadaten dank kompaktem Alexandritlaser

Höhere Atmosphärenschichten werden für Klimaforscher immer interessanter. Bereiche oberhalb von 40 km sind allerdings nur mit Höhenforschungsraketen direkt zugänglich. Ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser schafft jetzt neue Möglichkeiten. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln ein System, das leicht zu transportieren ist und autark arbeitet. Damit kann in Zukunft ein LIDAR-Netzwerk kontinuierlich und weiträumig Daten aus der Atmosphäre liefern.

Der Klimawandel ist in diesen Tagen ein heißes Thema. Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis der Phänomene sind valide Modelle zur...

Im Focus: Auxetische Membranen - Paradoxes Ersatzgewebe für die Medizin

Ein Material, das dicker wird, wenn man daran zieht, scheint den Gesetzen der Physik zu widersprechen. Der sogenannte auxetische Effekt, der auch in der Natur vorkommt, ist jedoch für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Eine neue, vor kurzem im Fachblatt «Nature Communications» veröffentlichte Studie der Empa zeigt nun, wie sich das erstaunliche Materialverhalten weiter steigern lässt – und sogar für die Behandlung von Verletzungen und Gewebeschäden genutzt werden kann.

Die Natur macht es vor: Ein Kälbchen, das am Euter der Mutterkuh Milch saugt, nutzt eine faszinierende physikalische Eigenschaft der Kuhzitze: Diese besteht...

Im Focus: Meteoritengestein ist "bessere Diät"

Archaeon kann Meteoritengestein aufnehmen – und sich davon ernähren

Das Archaeon Metallosphaera sedula kann außerirdisches Material aufnehmen und verarbeiten. Das zeigt ein internationales Team um Astrobiologin Tetyana...

Im Focus: The coldest reaction

With ultracold chemistry, researchers get a first look at exactly what happens during a chemical reaction

The coldest chemical reaction in the known universe took place in what appears to be a chaotic mess of lasers. The appearance deceives: Deep within that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Transportbehälter als Basis für neue Services der Intralogistik

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Was gehört auf die Trendliste für 2020?

05.12.2019 | Unternehmensmeldung

Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

05.12.2019 | Energie und Elektrotechnik

Schweizer Weltraumteleskop CHEOPS: Raketenstart voraussichtlich am 17. Dezember 2019

05.12.2019 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics