用于人工增雨的高效环保成核剂研究

Inspired by the special structures and the high ice nucleation activity of the ice nucleating bacteria proteins, new artificial ice nuclei materials are designed and fabricated. The novel ice nuclei consist of environmental friendly SiO2 nanoparticles as the inner core, and self-assembly supramolecules as the outer shell. Short peptides with the special TXT amino acid sequence (here, T refers to the threonine and X refers to any amino acid) are designed and synthesized. When short peptides are grafted onto the surface of SiO2 nanoparticles, they self-assemble into supramolecular beta-sheet structures by use of the intermocular interactions such as the hydrogen bond, the electrostatic interaction and the hydrophilic-hydrophobic interaction. With the interactions of hydrophilic groups on the supramolecular beta-sheet structures and water molecules, ice-like water is achieved at the interface of supramolecules and the liquid/vapor, which lowers the energy barrier and induces the quick formation of ice nuclei. The synergistic combination of the designing materials and supramolecules self-assemble contributes directly to the environmental and agricultural friendly ice nuclei, which is of great importance in developing high efficient materials used as ice nuclei for the artificial precipitation as well as in providing a new insight of the researching artificial ice nuclei.

受冰核细菌蛋白的结构与高冰核活性的启发,本研究通过对纳米颗粒表面进行修饰，产生特殊的微观结构，研制高效、环保的新型人工增雨成核剂。这种新型的成核剂由环境友好的SiO2作为内核材料，以超分子自组装结构作为壳层。利用分子设计和自组装技术在纳米SiO2颗粒表面引入具有TXT（T为苏氨酸，X是任意氨基酸分子）氨基酸残基序列的肽链，并通过肽链分子间的氢键、静电以及亲疏水相互作用自组装成beta折叠超分子结构；利用超分子beta折叠结构上亲水官能团与水分子间的氢键作用，控制界面处水分子的规则排列，降低表面成核势垒，加快表面冰核形成。该研究充分结合了材料设计与超分子自组装，开发的成核剂对环境无污染，对农作物无伤害，有望发展稳定高效的冰核活性材料，实现高效环保的人工增雨，同时为研究新型人工增雨成核剂提供了新的思路和理论指导。

实施人工增雨，对于缓解我国水资源紧缺状况和防灾减灾具有重要的现实意义。目前常用的碘化银价格较高，大量使用会造成银的浪费，污染环境；而且其播云温度窗为-10℃~ -25℃，对人工增雨的云层环境要求加高，增加了人工增雨的难度；干冰不易储存，而吸湿剂如尿素等只适合暖云催化。因此，研发用于人工增雨的高效、环保的成核剂具有十分重要的意义。.本项目以环境友好的SiO2微纳米颗粒为成核剂，结合分子设计与自组装技术制备了表面形貌可控的微纳米颗粒，对表面修饰分别得到了带正电荷和负电荷的微纳米颗粒，随后我们系统研究了表面微纳米结构、电荷特性对水滴冷凝、凝固的影响。我们进一步对人工增雨过程中过冷液滴相变行为分析：传统人工增雨过程中过冷水经历液态——固态——液态转变，最终形成降雨，这一过程中成核剂至关重要，也是人工增雨成核剂研究中的难点与挑战。针对这一问题，我们在项目实施过程中提出不经过液态——固态转变的人工增雨新思路，通过设计表面微观结构与电荷特性，促进微液滴冷凝与快速聚并长大实现降雨，取得了一系列对诱导水滴长大、成核具有重要指导意义的成果：.1、表面粗糙结构尺寸越小，冰核形成的临界势垒越低，这有助于冰核的形成，因此水滴凝固的温度较高。.2、表面带正电的微纳米颗粒有助于冰核的形成；表面带正电荷的介孔结构更有利于孔内水滴的结冰，从而诱导水滴结冰。.3、荷电的小颗粒表面更容易诱导水蒸气的冷凝，表现出较高的凝水效率。.4、大长径比二维锥形结构有助于大气中过冷微水滴的聚并与快速长大，有利于形成降雨。