随着水温的降低，这个能量障碍也会变小。这使得随机分子的运动更容易将一个微小的胚胎冰结构推过临界尺寸阈值。冰形成并生长，而低能晶体结构保持稳定。
增强成核
表面和杂质可以显著降低成核的能量障碍，从而提高冰形成的温度。宾夕法尼亚州立大学的大气化学家Miriam Freedman表示：“自1970年代末以来，我们已经知道表面的很多方面都很重要。”
像显微镜下的建筑脚手架一样，具有正确结构的表面使水分子更容易排列成晶体。研究人员已经确定了一些可以使表面更好或更差于成核冰的因素。表面的晶体结构或结构有序性很重要，化学结构模拟冰的物质往往在冰成核方面表现良好。一定大小的孔隙以一种有助于冰形成的方式限制水分子。
Meister和Molinero一直在合作解开自然界最佳造雪者——细菌和真菌的秘密，这些细菌和真菌的蛋白质与水相互作用，促进冰成核。许多这些生物是植物病原体，其冰成核蛋白可能进化出造成霜冻损伤的能力。
最著名的冰成核剂是一种名为假单胞菌(Pseudomonas syringae)的细菌，它具有一种能够迫使水在大约零下2摄氏度结冰的蛋白质。Meister说：“它太好了，以至于所有人工造雪（至少在犹他州）以及美国其他一些地方都使用这种细菌来制造雪。”
较大的蛋白质往往更适合制造冰，可能是因为它们作为更有效的模板：想象一下试图用一个只有几层楼高的脚手架来建造摩天大楼。
但即使掌握了这些知识，科学家们仍然会遇到意外情况。Meister、Molinero和他们的合作者最近发现了一个“大即是好”规则的例外：尽管真菌蛋白质很小，但在冰成核方面表现出色。它们通过聚集成大的、冰成核的聚集体来解决这个问题。
预测冰
Molinero开发了捕捉冰成核过程及其与表面相互作用的理论和计算模型。2009年，她和同事Emily Moore发表了一种简化的水模型，将每个H2O分子视为单个四面体形状的原子；令人惊讶的是，这种单原子水模型的计算机模拟准确再现了水的大规模特性，例如其密度。然后，在2011年，Molinero和Moore使用单原子水模型 pinpoint了过冷水中一个特定结构变化，该变化确定了水结冰点的下限。该模型预测水必须在零下48.15摄氏度结冰。
最近，在《美国国家科学院院刊》2024年5月发表的计算机模拟中，Molinero和她的同事们展示了当水的温度和压力调到较密和较稀液相之间过渡点时，冰结晶化速度最快。而在今年3月，他们在美国化学学会会议上提出了一个新的模型，可以预测在给定表面上冰成核的温度。该模型由实验数据提供信息，并考虑了一系列因素，从表面的化学性质到其缺陷的形状。
根据它们的大小和几何形状，表面上的凸起和凹陷可以将水分子挤压成更容易或更难形成冰的配置。作为模型的一部分，Molinero团队开发并测试了一种新的公式，用于描述凸起或凹陷角度如何影响冰成核。使用该公式，Molinero认为仅通过引入合适大小和形状的缺陷，就可以设计出更好的冰成核材料。“你可以将一个不太好的表面变得相当出色，”她说。
根据Molinero，大气科学家用来预测云行为的模型尚未考虑到冰成核的细微差别。而且，目前仍不清楚哪些粒子实际上是自然界中播云最重要的粒子。像撒哈拉沙尘这样的矿物粒子在大气中丰富，并且可以成核冰。但它们并不是唯一存在于那里。
“在云层中，你会发现一些这些细菌，一些这些真菌，它们非常擅长制造冰，”Meister说。“这完全提出了一个问题：是什么让它下雨？”