Computational studies of heterogeneous ice nucleation on non-ideal silver iodide surfaces

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-77-8
Title: Computational studies of heterogeneous ice nucleation on non-ideal silver iodide surfaces
Author: Roudsari, Golnaz
Contributor organization: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Ilmakehätieteiden tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Doktorandprogrammet i atmosfärvetenskap
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-04-28
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-77-8
http://hdl.handle.net/10138/342099
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Pure water can remain in liquid phase in the atmosphere even at -38 ℃. However, ice nucleation can occur at higher temperatures up to -3 ℃ in the presence of atmospheric particles. Numerous studies have been conducted to identify and characterize particles with efficient nucleation enhancing properties. Silver iodide (AgI) is known for excellent ice nucleating capabilities and has long been used in rain seeding applications. In this thesis, we study the influence of various AgI structures on the ice nucleation efficiency using both atomistic and coarse grained molecular dynamics simulations. In particular, we aim to identify which characteristics of the AgI particles contribute to the ice nucleation. Specifically, we investigate ice nucleation in the presence of AgI surfaces with different defects. We also study the effects of confined geometries on ice nucleation using AgI systems with wedge and slit structures. We consider AgI wedges of different angles and AgI slit systems of varying widths. The simulation results show that AgI surfaces with defects lead to ice nucleation at low supercooling, but with a lower intensity than the perfect AgI surface. Moreover, it is observed that confined wedges (systems with angles less than 90°) almost always accelerate the formation of ice. Furthermore, ice nucleation occurs significantly faster when the wedge angle corresponds to that of the ice lattice. The simulation results for the slit structures show that as the slit's gap widens, the nucleation is periodically promoted and hindered: the nucleation process is accelerated when the gap width is an integer multiple of the width of an ice bilayer, and slowed down otherwise. Computer simulations of ice nucleation require efficient algorithms for distinguishing between the liquid and ice phases as well as identifying different types of ice crystals. In this thesis, we develop a novel ice recognition algorithm based on conformation template-matching for the identification of different ice polymorphs and interfacial ice structures. Our algorithm is robust in classifying non-ideal structures or structures with defects making it ideal for studying ice nucleation in the presence of foreign materials. Keywords: heterogeneous ice nucleation, molecular dynamics simulations, silver iodide, ice structure recognition.Puhdas vesi voi pysyä ilmakehässä nestemäisenä jopa -38 asteessa. Jään nukleaatio voi kuitenkin tapahtua korkeammissa lämpötiloissa -3 asteeseen saakka ilmakehässä olevien hiukkasten vaikutuksesta. Nukleaatiota tehostavia ominaisuuksia omaavia hiukkasia on tunnistettu ja karakterisoitu monissa tutkimuksissa. Hopeajodidi (AgI) tunnetaan erinomaisena jäänukleaation aikaansaajana, ja sitä on käytetty jo pitkään keinotekoisen sateen kylvämiseen. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan hopeajodidin eri rakenteiden jäänukleaatioaktiivisuutta atomistisilla ja karkeistetuilla molekyylidynaamisilla simulaatioilla. Erityisesti pyritään tunnistamaan, mitkä hopeajodidihiukkasten ominaisuudet vaikuttavat jäänukleaatioon. Erityisesti tutkimme jäänukleaatiota erilaisia hilavirheitä sisältävien hopeajodidipintojen päällä. Tutkimme jäänukleaatiota myös kiilan ja tasalevyisen raon muotoisissa kahden pinnan geometrioissa, eri kiilan kulmilla ja rakojen leveyksillä. Simulaatiotulokset osoittavat, että hilavirheet eivät estä jäänukleaatiota edes vähäisesti alijäähtyneelle vedelle, mutta ne hidastavat jäänukleaatiota tasaiseen pintaan verrattuna. Havaitaan myös, että kiilat, joiden kulma on alle 90 astetta tehostavat lähes aina jään muodostumista. Erityisesti, jos kiilan kulma vastaa jäähilan rakennetta, jäänukleaatio nopeutuu merkittävästi. Simulaatiotulokset tasalevyisille raoille osoittavat, että kun raon leveys kasvaa, nukleaatio tehostuu ja heikkenee periodisesti: nopeutuen, kun raon leveys vastaa tarkalleen paksuutta, joka on jollain määrällä kokonaisia jääkerroksia, ja hidastuen muussa tapauksessa. Jäänukleaatiota tutkivat tietokonesimulaatiot tarvitsevat tehokkaita algoritmeja veden eri nestemäisten ja jääfaasien erottamiseen, samoin kuin erilaisten jääkristallityyppien tunnistamiseen. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin uudenlainen jääntunnistusalgoritmi, joka perustuu jään eri faasien ja rajapinnoilla olevien rakenteiden tunnistamiseen täsmäytysmallin avulla. Algoritmi tunnistaa luotettavasti epätäydellisiä tai hilavirheitä sisältäviä jäärakenteita, mikä tekee siitä ideaalisen työkalun tutkittaessa jäänukleaatiota muiden materiaalien läsnäollessa. Avainsanat: heterogeeninen jäänukleaatio, molekyylidynaamiset simulaatiot, hopeajodidi, jäärakenteiden tunnistus.
Subject: atmospheric science
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
roudsari_golnaz_dissertation_2022.pdf 19.34Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record