Описанный механизм может принести пользу в тех областях, где важна стабильность замороженных объектов и систем — например, в медицине, а также в изготовлении, хранении и транспортировке замороженных продуктов.

Физики из Объединённого института высоких температур РАН предложили универсальную теоретическую модель, которая объясняет, как простые органические вещества вроде аминокислот или сахаров могут влиять на форму и размер кристаллов льда. Было установлено, что они не только мешают воде замерзать, но и самоорганизуются в наночастицы, которые прилипают к кристаллам льда и тормозят его рост. Результаты исследования были опубликованы в журнале Chemical Communications.

«Когда вода превращается в лёд, между кристаллами остаются тонкие прослойки жидкости, в которых скапливаются растворённые вещества. Мы показали, что при сильном охлаждении эти молекулы начинают объединяться в наночастицы, которые „прилипают“ к границе кристаллов и мешают им сливаться. Фактически это тот же принцип, по которому работают антифризные белки у арктических рыб, только в этом случае речь идёт о гораздо более простых и синтетически доступных молекулах», — прокомментировал один из авторов статьи, старший научный сотрудник ОИВТ РАН Максим Орехов.

Самым точным показателем эффективности этого механизма оказалась растворимость веществ: чем хуже вещество растворяется, тем проще ему образовать стабильные наночастицы. А дальше вступает в игру геометрия: если поверхность этих частиц похожа по структуре на кристаллическую решётку льда, они прочно приклеиваются к нему и тормозят рост льда.

Например, в медицине образование и последующая рекристаллизация льда при замораживании и оттаивании сегодня являются основным препятствием для эффективной криоконсервации клеток и тканей, так как могут приводить к механическим повреждениям и гибели клеток. Добавляя в водные растворы химические агенты-ингибиторы, можно подавлять рекристаллизацию льда и таким образом достичь значительных результатов в защите клеток и тканей при замораживании без необходимости использовать сложные или токсичные вещества.

Кроме того, подобные технологии можно использовать для контроля роста льда при хранении и транспортировке замороженных продуктов, а также при создании материалов, устойчивых к циклам замерзания и оттаивания. Помимо этого, предложенная учёными теоретическая модель может использоваться для моделирования ледовых процессов в атмосфере и климате.

Источник: пресс-служба ОИВТ РАН.