防冰新材料调控冰晶形成的关键物理化学问题研究

Ice formation, including ice nucleation and ice growth, is an ubiquitous and crucial phase transition process in nature. Until now, the molecular level mechanism of ice formation is still far from satisfactory. Inspired by the antifreeze proteins (AFPs), we studied the correlation between the ice formation and the AFP multi-scale interfacial structures via experiment and simulation analysis, respectively. Through the study of water molecules at the AFPs/water interface, some practical and reliable models can be established based on physics, chemistry and computer science. Then, guided by the principle of AFP’s antifreeze function, this project will further construct well-defined interfacial materials capable of tuning ice nucleation efficiency and ice growth rate, shaping ice and inhibiting ice recrystallization. Through optimal regulation from both surface aggregation structure and surface chemical composition of the as-prepared materials, we further elucidate the physical principle of ice formation. This project not only shed some new lights on the novel methodological development and applications in survival of ectothermic animals, cryopreservation of cells and tissues, food preservation, cloud seeding, and snowmaking, but can also promote China's international status in the related fields.

结冰是自然界中最常见、最重要的相变过程，由冰成核与冰生长两部分构成。迄今为止，冰形成分子机制依然悬而未决。本项目拟突破现有方法的局限，从自然界能够有效控制冰晶形成过程的抗冻蛋白表面出发，采用实验科学与计算机模拟相结合的方法，深入研究抗冻蛋白表面多尺度结构-抗冻功能关系。以抗冻蛋白/水界面作为研究切入点，从物理、化学与计算机科学等多角度建立切实可靠的分析模型。并以此为指导，通过表界面结构的设计与构筑，仿生制备能够有效控制冰晶成核效率与生长速率、修饰冰晶形貌、抑制冰重结晶的表界面材料，揭示多级化学结构与物理凝聚态结构对冰形成的协同作用机制。本项目的实施，不仅将有助于人工降雨/造雪、食品保鲜、生物冷冻保存等领域中新防冰材料的制备与新抗冻方法的建立，而且有利于提升我国在相关领域的国际地位。

冰晶形成机制的揭示可指导解决大气冰核与云凝结核形成对气候与天气的影响问题、迫切的细胞与器官冷冻保存问题和防结冰材料设计与制备问题。本项目拟突破现有方法的局限，从自然界能够有效控制冰晶形成过程的抗冻蛋白表面出发，采用实验科学与计算机模拟相结合的方法，深入研究抗冻蛋白表面多尺度结构-抗冻功能关系。以抗冻蛋白/水界面作为研究切入点，从物理、化学与计算机科学等多角度建立切实可靠的分析模型。并以此为指导，通过表界面结构的设计与构筑，仿生制备能够有效控制冰晶成核效率与生长速率、修饰冰晶形貌、抑制冰重结晶的表界面材料，揭示多级化学结构与物理凝聚态结构对冰形成的协同作用机制。项目的重要研究成果包括：（1）首次在实验上探测到瞬间存在的纳米临界冰核，证实了百年前吉布斯的预言；（2）明确了纳米粒子尺寸与冰晶成核温度的相互关系；揭示了高效控冰材料的分子机制。（3）创制的新型控冰冻存材料用于细胞与组织的深低温冷冻保存，完全摒弃了传统冻存试剂中二甲基亚砜等有毒试剂的使用，冻存复苏后的细胞、组织呈现出更高的复苏率与更优的功能；部分新型控冰冻存试剂实现商品化。（4）开发了系列防覆冰涂层，于对贵州、陕西两地的大型风机进行了防覆冰技改，技改的大型风机每台约增发十万度电。