En undersøgelse af tynde flydende film ved grænseflader mellem is og lermaterialer

Til is, såkaldt 'overfladesmeltning' blev postuleret allerede i det 19. århundrede af Michael Faraday:Allerede under det faktiske smeltepunkt, dvs. 0 °C, der dannes en tynd flydende film på den frie overflade på grund af grænsefladen mellem is og luft. Forskere ledet af Markus Mezger, gruppeleder ved Max Planck Institute for Polymer Research (afdeling for Hans-Jürgen Butt) og professor ved universitetet i Wien, har nu studeret dette fænomen mere detaljeret ved grænseflader mellem is og lermineraler.

I naturen, denne effekt er særlig interessant i permafrostjord – dvs. jord, der er permanent frosset. Omkring en fjerdedel af landarealet på den nordlige halvkugle er dækket af permafrost. Disse er sammensat af en blanding af is og andre materialer. Mikroskopisk tynde blodplader blev dannet over geologisk tid ved forvitring af lermineraler. Svarende til en svamp, meget vand kan trænge ind i de smalle spalteporer mellem de tynde blodplader, opbevares der, og frys ned. Derfor, der er meget kontaktareal mellem is og lermineraler. For hvert gram lermineral, der er omkring 10 kvadratmeter overfladeareal! Dette forårsager en forholdsvis høj andel flydende vand i det grænsefladeinducerede smeltelag allerede under 0 °C.

Forskerne har nu undersøgt, hvor hurtigt vandmolekylerne bevæger sig i det tynde smeltelag ved grænsen mellem is og lermineral. denne værdi, kendt som selvdiffusion, er direkte forbundet med vandets viskositet. For tre forskellige mineraler, det har vist sig, at viskositeten af ​​vand i det grænseflade-inducerede smeltelag nogle gange er betydeligt højere end for almindeligt vand - dvs. molekylerne er begrænset i deres evne til at bevæge sig, fordi laget er mere tyktflydende. Disse resultater kan hjælpe til bedre at forstå forskellige fænomener i fremtiden, såsom den mekaniske stabilitet af permafrost, transport af plantenæringsstoffer og forurenende stoffer, og geokemiske reaktioner såsom ionbytningsprocesser ved is/mineralgrænseflader.

For deres mål, Mainz-forskerne samarbejdede med partnere ved forskningsreaktorerne på TU München og Institut Laue-Langevin i Grenoble, Frankrig. Neutronerne genereret i reaktorerne der rammer prøven med en vis hastighed. Svarende til en bold, der hopper tilbage fra et køretøj, der bevæger sig mod den med en højere hastighed, Hastighedsmålinger af neutronerne spredt fra prøven gør det muligt at drage konklusioner om bevægelsen af ​​vandmolekylerne i det grænseflade-inducerede forsmeltningslag.