How Microscopic Features of Mineral Surfaces Critically Influence Heterogeneous Ice Nucleation
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Notice bibliographique
Résumé
Heterogeneous ice nucleation is an important process in environmental, biological, and atmospheric science. A variety of mineral, organic, and biological materials function as ice nucleating particles (INPs). A major aim of the current research is to determine exactly why and how ice nucleates on certain surfaces but not on others. The lattice match to ice and the atomistic surface morphology have both emerged as important factors, but how these factors interact, and which aspects play a vital role in ice nucleation, is not yet understood. This is the central question addressed in the present paper. We focus on four atmospherically relevant minerals: kaolinite, α-alumina, gibbsite, and hematite. These minerals are structurally similar, but the former pair are excellent INPs, while the latter pair are not. These four minerals provide an opportunity to systematically examine how details of lattice match and/or surface morphology favor or inhibit ice nucleation. We use molecular simulations to examine the interaction of a realistic water model with protonated (001) mineral surfaces. As expected from earlier simulations, ice nucleates via the basal plane for α-alumina, but via the primary prism face for kaolinite. Ice nucleation was not observed for gibbsite and hematite, consistent with experiment. To analyze water structure in the surface layers, we introduce a two-dimensional (2D) lattice perspective. Basal and prism face ice bilayers can be decomposed into two, 2D lattices (triangular for basal, rectangular for prism), and a surface must stabilize both 2D lattices of a bilayer to initiate ice nucleation. We define a 2D lattice mismatch parameter, which, unlike the conventional lattice mismatch criterion, is sensitive to the atomistic structure of a surface. Combining this approach with simulations involving scaled lattices, we clearly show how lattice match, and, more importantly, details of the surface morphology determine the wide range of ice nucleating activity displayed by the four minerals. We believe that the approach followed in this paper will contribute to the general understanding and prediction of ice nucleation (or lack thereof) by other surfaces. Ice nucleation by β-AgI and PbI2, and the absence of nucleation by the mineral boehmite are briefly discussed from a 2D lattice perspective.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
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| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
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