在纳米尺度上，水会以各种方式结冰，但并非所有方式都被完全理解。除其他好处外，更好地处理这些过程可能意味着天气预报的重大改进。为此，化学与环境工程助理教授 Amir Haji-Akbari 的实验室专注于一种称为接触冷冻的特别快速过程，在该过程中，大气中过冷(低于冰点但未冻结)的液滴与成核粒子——即促进与其接触的液体冻结的粒子。冻结发生的速度比浸入冻结过程要快得多——这是一种更常见的情况，当温度降低时，成核粒子已经在液滴内部。

结果最近发表在《美国化学学会杂志》上。

究竟为什么会发生接触性冻结如此之快，一直是科学家之间长期存在的问题。在某一时刻，科学家认为冻结是由碰撞引起的瞬态效应引起的。后来的理论认为，所谓的接触线加速了冻结。那是当粒子暴露于三相物质 - 蒸气液体和固体粒子时。然而，实验表明这些都不是答案。

最近的研究表明，当两个粒子的表面彼此非常接近时，就会发生冻结。Haji-Akbari 用他最近开发的一种称为跳跃前向通量采样的技术对此进行了测试，该技术准确地说明了系统的进展——例如冰或雪的形成——即使模式可以在短时间内发生显着变化时间。通过这样做，他的研究团队证明了表面的接近程度足以引起冻结，但仅限于某些情况。具体来说，只有当液体容易表面冻结时才会发生这种情况。

“我们所展示的是，为了使这种更快的成核发生，汽-液界面附近的冻结也必须更快，即使这个液滴中没有颗粒，”他说。事实上，他们表明这种成核在表面冻结液体的超薄膜中发生得更快。

Haji-Akbari 说，他们用于这项研究的理论方法可用于了解其他冻结过程，从而获得可以更好地预测天气的信息，并为材料科学家提供宝贵的见解。

“这些冻结事件的几个组成部分尚不清楚，包括接触性冻结，”他说。“所以我们工作的下一步是能够建立更好的模型，这可能会导致更准确或可靠的预测。”