Российские ученые из Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) предложили инновационный подход к контролю образования кристаллов водяного льда. Исследование, опубликованое в журнале Chemical Communications, может открыть новые возможности в области заморозки продуктов, сохранения тканей и криоконсервации.
Команда под руководством старшего научного сотрудника Максима Орехова разработала универсальную модель, объясняющую, как органические молекулы — например, аминокислоты или сахара — взаимодействуют с растущими кристаллами льда. Оказывается, они не просто мешают воде замерзнуть, но и самоорганизуются в наночастицы, которые «прилипают» к поверхности ледяных кристаллов и замедляют их рост.
Механизм похож на работу природных белков, которые встречаются, например, у рыб, живущих в холодных арктических водах. Однако в данном случае используется гораздо более простой и легко синтезируемый химический состав.
Природные антифризы есть у многих организмов, обитающих в холодных условиях. Исследование предлагает аналогичный механизм, но с гораздо более простыми молекулами.
Ключевым фактором эффективности метода является растворимость вещества: чем хуже оно растворимо, тем легче образуются стабильные «наночастицы-незамерзайки». Важную роль играет геометрия этих частиц — если их поверхность напоминает кристаллическую решетку льда, они прочнее «прилипают» к границе и эффективнее тормозят дальнейший рост кристаллов.
Такой контроль над ростом льда ценен с практической точки зрения. В медицине и биологии данный механизм поможет уменьшить повреждения при криоконсервации клеток и тканей, вызванные рекристаллизацией льда при замораживании и оттаивании.
Технологию можно адаптировать для заморозки продуктов питания — это даст возможность улучшить текстуру, сохранить вкусовые качества и продлить срок годности замороженных товаров. Особенно важна стабильность льда при хранении и транспортировке, когда температурные циклы могут приводить к разрушению продуктов и нарушению их потребительских свойств.
В отличие от некоторых сложных и потенциально вредных криопротекторов, предложенные молекулы проще и безопаснее, что важно как для пищевого, так и для биомедицинских применений.
Новая теория также может пригодиться для моделирования климатических процессов. Она помогает лучше понять микрофизику образования льда в атмосфере, то есть то, как кристаллы возникают и растут при низких температурах. Это актуально не только для Земли, но и для других тел Солнечной системы, начиная с Марса где средняя температура ниже земной.
Недавно мы сообщили о необычном желеобразном льде. Он не замерзает в морозильной камере и не растекается при комнатной температуре.
