Forskere undersøger konsekvenserne af overskydende hydrogenbinding ved isdamp-grænsefladen

Det er ved en temperatur på -70 ° C, at vandmolekyler på isoverfladen får flest bindinger med hinanden. AMOLF -forskere, sammen med et internationalt team af kolleger, beskrive dette i en artikel i Fysisk gennemgangsbreve offentliggjort den 28. september. Indblik i adfærden på det øverste islag er vigtigt for at forstå, hvordan gletsjere bevæger sig, hvordan laviner opstår, og hvorfor vi kan skate på is, blandt andet.

Vand er et mærkeligt stof:det udvider sig, når det fryser. Da den faste form for vand (is) har en lavere densitet end den flydende variant, is flyder på vand. Det betyder, at du kan skate på en sø i løbet af en hård vinter, mens fisken under dig fortsætter med at svømme. Denne usædvanlige egenskab skyldes vandets molekylære struktur. Et vandmolekyle består af et iltatom med to brintatomer. Hydrogenatomer danner heldigvis en stærk binding med et oxygenatom fra et andet vandmolekyle:vi kalder dette en hydrogenbinding.

Hvert iltatom kan binde til højst fire brintatomer:to fra sit eget vandmolekyle, og to fra nærliggende molekyler. Det kan ske i midten af ​​en klump dybt frossen is, hvor vandmolekylerne antager en krystallinsk struktur, der ligner en samling af regelmæssige sekskanter. Denne krystalstruktur fylder meget, og det er det, der gør isens tæthed lav.

Imidlertid, vandmolekylerne på isoverfladen har et problem. Disse vandmolekyler ligger ikke i grænseflade med andre vandmolekyler, men med luft, så de kan ikke udnytte deres bindingsmuligheder fuldt ud.

Maksimalt antal obligationer

AMOLF -forsker Wilbert Smit og AMOLF -gruppeleder Huib Bakker undersøgte, hvordan strukturen af ​​det yderste islag ændres som en konsekvens af temperaturen. De fandt ud af, at ved en omgivelsestemperatur på omkring -70 ° C, vandmolekylerne ved isoverfladen danner et maksimalt antal hydrogenbindinger. Forskerne fandt også en forklaring på dette.

"Hvis det er meget koldere end -70 ° C, så har det yderste lag af isen den samme struktur som de almindelige sekskanter under den, men pænt skåret i halve. Du kan sammenligne strukturen med et halvbygget hus, hvor stængerne i den armerede beton stadig stikker op af væggene på første sal ", siger Wilbert Smit.

Når temperaturen stiger, isoverfladen bliver mindre struktureret på grund af, at vandmolekylerne får mere kinetisk energi. Som følge af dette, de omarrangerer sig selv på en sådan måde, at antallet af bindinger mellem vandmolekylerne i første omgang stiger. Denne omlægning giver den højeste densitet af hydrogenbindinger ved en temperatur på -70 ° C.

Ved temperaturer over −70 ° C, antallet af bindinger mellem molekylerne falder igen:det øverste lag opfører sig i stigende grad mere som vand og mindre som is. Det betyder, for eksempel, at overfladen af ​​isen, vi skøjter på, faktisk ikke er is, men et lag vand.

Simuleringer og følsom teknik

De hollandske forskere brugte en avanceret teknik til forskningen kaldet sum-frekvensgenerationsspektroskopi. Denne teknik gør det muligt at opdage vibrationer af molekyler på overflader ved at belyse overfladen med to intense femtosekund laserlysstråler. Under de rigtige betingelser, lysstrålerne interagerer med molekylerne på overfladen, og der dannes en lysstråle med en anden farve. Dette finder kun sted, når bjælkerne reflekteres på overfladen og ikke på den underliggende struktur. Farven og intensiteten af ​​den nye stråle indeholder derfor udelukkende detaljerede oplysninger om overfladestrukturen. Ved hjælp af simuleringer fra Max Planck Institute i Mainz, forskerne var i stand til at oversætte disse resultater til ny viden om isoverfladen.