Forskere karakteriserer faseovergange af smeltende islag

150 år siden, fysikeren Michael Faraday opdagede, at på overfladen af ​​frossen is, godt under 0 ° C, en tynd film af væskelignende vand er til stede. Denne tynde film gør is glat og er afgørende for gletschers bevægelse.

Siden Faradays opdagelse, forskere har undersøgt egenskaberne ved dette vandlignende lag, forsøger at bestemme den temperatur, ved hvilken overfladen bliver væskelignende. Hvordan afhænger lagets tykkelse af temperaturen? Hvordan øges lagets tykkelse med temperaturen? Kontinuerligt? Trinvis? Eksperimenter til dato har generelt vist et meget tyndt lag, som kontinuerligt vokser i tykkelse op til 45 nm lige under bulk -smeltepunktet ved 0 ° C. Dette illustrerer også, hvorfor det har været så udfordrende at studere dette lag af væskelignende vand på is-45 nm er cirka 1/1000 tykkelsen af ​​menneskehår og kan ikke ses af øjet.

Forskere fra Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), i et samarbejde med forskere fra Holland, USA og Japan, har undersøgt egenskaberne for dette kvasi-flydende lag på is på molekylært niveau ved hjælp af avanceret overfladespecifik spektroskopi og computersimuleringer. Resultaterne offentliggøres i den seneste udgave af det videnskabelige tidsskrift Procedurer fra National Academy of Science ( PNAS ).

Forskerne undersøgte, hvordan det tynde flydende lag dannes på is, hvordan den vokser med stigende temperatur, og hvis det kan skelnes fra normalt flydende vand. Disse undersøgelser krævede veldefinerede iskrystaloverflader. Dermed, meget kræfter gik i at skabe ~ 10 cm enkelte krystaller af is, som kunne skæres på en sådan måde, at overfladestrukturen var målelig. Vandmolekyler i væsken har et svagere samspil med hinanden i forhold til vandmolekyler i is. Ved hjælp af deres grænsefladespektroskopi, kombineret med den kontrollerede opvarmning af iskrystal, forskerne var i stand til at kvantificere ændringen i interaktionen mellem vandmolekyler direkte ved grænsefladen mellem is og luft, og bestem om overfladen var fast eller flydende.

De eksperimentelle resultater, kombineret med simuleringerne, viste, at det første molekylære lag ved isoverfladen blev smeltet ved temperaturer helt ned til -38 ° C (235 K), den laveste temperatur, forskerne eksperimentelt kunne undersøge. Forøgelse af temperaturen til -16 ° C (257 K), det andet lag blev flydende. Overfladesmeltning af is er ikke en kontinuerlig proces, men forekommer i en diskontinuerlig, lag for lag mode.

"Et andet vigtigt spørgsmål for os var, om man kunne skelne mellem egenskaberne ved det kvasi-flydende lag og det normale vand, "siger Mischa Bonn, medforfatter af papiret og direktør ved MPI-P. Og faktisk, det kvasi -flydende lag ved -4 ° C (269 K) viser en anden spektroskopisk reaktion end underkølet vand ved den samme temperatur; i det kvasi-flydende lag, vandmolekylerne synes at interagere stærkere end i flydende vand.

Resultaterne er ikke kun vigtige for en grundlæggende forståelse af is, men også for klimavidenskab, da der opstår mange katalytiske reaktioner på isoverflader, og for hvilken forståelsen af ​​isoverfladestrukturen er afgørende.