冰核蛋白对冰的结构-性质关系的影响：分子动力学研究
软凝聚态物质
2025-10-07 v1
摘要
冰核蛋白 (INPs) 是一类独特的生物大分子，能够比均匀成核更高效地催化过冷水的冻结。其显著的效率推动了其在农业防霜、食品加工与包装、生物医学低温保存乃至缓解冰川冰损失等多样化领域的应用。INPs 的冰核性能及其产生的冰的力学行为强烈依赖于其结构和生化特征。然而，INP 特性、 resulting 冰微观结构及其力学行为之间的联系尚未得到系统建立。在本研究中，采用基于机器学习势函数 ML-BOP 的粗粒化分子动力学 (CGMD) 模拟，探究了不同 INP 密度如何影响冰核温度、 resulting 冰微观结构以及蠕变拉伸载荷下形成冰的力学行为。我们发现，根据其密度，INPs 可以显著提高冰核速率，同时改变冰的晶粒结构。模拟结果表明，与纯水中成核相比，INP 辅助成核导致由六方冰 (冰Ih) 和立方冰 (冰Ic) 组成的多晶冰更快稳定。此外，更高的 INP 密度和更小的冰晶粒尺寸降低了整体屈服应力，同时促进了扩散 accommodated 晶界滑移蠕变。这些发现提供了分子层面的洞察，揭示了 INPs 如何同时影响成核过程和冰的力学行为，为在现实环境中（包括极地和冰冻环境中的人类活动和基础设施）工程化具有定制稳定性的冰指明了路径。
引用
@article{arxiv.2510.04892,
title = {Effect of ice nucleating proteins on the structure-property relationships of ice: A molecular dynamics study},
author = {A. K. Shargh and C. D. Stiles and J. A. El-Awady},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.04892},
year = {2025}
}