Et nærmere kig på tynd is

På kølige dage, vanddamp i luften kan omdannes direkte til fast is, aflejring af et tyndt lag på overflader såsom en rude eller bilrude. Selvom det er almindeligt, denne proces har holdt fysikere og kemikere travlt med at finde ud af detaljerne i årtier.

I en ny Natur papir, et internationalt team af forskere beskriver den første nogensinde visualisering af atomstrukturen af ​​todimensionel is, da den blev dannet. Indsigt fra resultaterne, som blev drevet af computersimuleringer, der inspirerede eksperimentelt arbejde, kan en dag informere om design af materialer, der gør isfjernelse til en enklere og billigere proces.

"En af de ting, som jeg finder meget spændende, er, at dette udfordrer det traditionelle syn på, hvordan is vokser, " siger Joseph S. Francisco, en atmosfærisk kemiker ved University of Pennsylvania og en forfatter på papiret.

"Det er meget vigtigt at kende strukturen, " tilføjer medforfatter Chongqin Zhu, en postdoc i Franciscos gruppe, der ledede meget af beregningsarbejdet til undersøgelsen. "Lavdimensionelt vand er allestedsnærværende i naturen og spiller en afgørende rolle i et utroligt bredt spektrum af videnskaber, herunder materialevidenskab, kemi, biologi, og atmosfærisk videnskab.

"Det har også praktisk betydning. F.eks. fjernelse af is er afgørende, når det kommer til ting som vindmøller, som ikke kan fungere, når de er dækket af is. Hvis vi forstår samspillet mellem vand og overflader, så kan vi måske udvikle nye materialer for at gøre denne isfjernelse nemmere."

I de seneste år, Franciscos laboratorium har viet betydelig opmærksomhed til at studere vandets adfærd, og specifikt is, ved grænsefladen mellem faste overflader. Det, de har lært om isens vækstmekanismer og strukturer i denne sammenhæng, hjælper dem med at forstå, hvordan is opfører sig i mere komplekse scenarier, som når man interagerer med andre kemikalier og vanddamp i atmosfæren.

"Vi er interesserede i isens kemi ved overgangen med gasfasen, da det er relevant for de reaktioner, der sker i vores atmosfære, " forklarer Francisco.

For at forstå de grundlæggende principper for isvækst, forskere er gået ind i dette studieområde ved at undersøge todimensionelle strukturer:lag af is, der kun er flere vandmolekyler tykke.

I tidligere undersøgelser af todimensionel is, ved hjælp af beregningsmetoder og simuleringer, Francisco, Zhu, og kolleger viste, at is vokser forskelligt afhængigt af, om en overflade afviser eller tiltrækker vand, og strukturen af ​​den overflade.

I det nuværende arbejde, de søgte verifikation af deres simuleringer i den virkelige verden, at nå ud til et hold på Peking Universitet for at se, om de kunne få billeder af todimensionel is.

Peking-teamet brugte superkraftig atomkraftmikroskopi, som bruger en mekanisk sonde til at "føle" materialet, der studeres, oversætte feedbacken til billeder i nanoskala-opløsning. Atomkraftmikroskopi er i stand til at fange strukturel information med et minimum af afbrydelse af selve materialet, gør det muligt for forskerne at identificere selv ustabile mellemstrukturer, der opstod under processen med isdannelse.

Stort set al naturligt forekommende is på Jorden er kendt som sekskantet is for sin sekssidede struktur. Det er derfor, snefnug alle har seksdobbelt symmetri. Et plan af sekskantet is har en lignende struktur som todimensional is og kan ende i to typer kanter - "zigzag" eller "lænestol." Normalt ender dette plan af naturlig is med en zigzag-kant.

Imidlertid, når der dyrkes is i to dimensioner, forskere finder ud af, at vækstmønsteret er anderledes. Det nuværende arbejde, for første gang, viser, at lænestolens kanter kan stabiliseres, og at deres vækst følger en ny reaktionsvej.

"Dette er en helt anden mekanisme end hvad man kendte, " siger Zhu.

Selvom zigzag-vækstmønstrene tidligere blev antaget kun at have seks-leddede ringe af vandmolekyler, både Zhus beregninger og atomkraftmikroskopi afslørede et mellemtrin, hvor femleddede ringe var til stede.

Dette resultat, siger forskerne, kan hjælpe med at forklare de eksperimentelle observationer rapporteret i deres 2017 PNAS papir, som fandt ud af, at is kunne vokse på to forskellige måder på en overflade, afhængig af overfladens egenskaber.

Udover at give indsigt i fremtidens design af materialer, der er med til at fjerne is, de teknikker, der anvendes i arbejdet, er også anvendelige til at undersøge væksten af ​​en stor familie af todimensionelle materialer ud over todimensionelle iser, og åbner dermed en ny vej til visualisering af lavdimensionelt stofs struktur og dynamik.

For kemiker Jeffrey Saven, en professor i Penn Arts &Sciences, som ikke var direkte involveret i det nuværende arbejde, samarbejdet mellem teoretikerne i Franciscos gruppe og deres kolleger i Kina mindede om en lignelse, han lærte af en mentor under sin uddannelse.

"En eksperimentalist taler med teoretikere om data indsamlet i laboratoriet. Den middelmådige teoretiker siger, "Jeg kan ikke rigtig forklare dine data." Den gode teoretiker siger, 'Jeg har en teori, der passer til dine data.' Den store teoretiker siger, 'Det er interessant, men her er det eksperiment, du bør lave, og hvorfor.'"

For at bygge videre på dette succesrige partnerskab, Zhu, Francisco, og deres kolleger går i gang med teoretisk og eksperimentelt arbejde for at begynde at udfylde hullerne i forbindelse med, hvordan todimensionel is bygger op i tre dimensioner.

"Det todimensionelle arbejde er grundlæggende for at lægge baggrunden, " siger Francisco. "Og at få verificeret beregningerne ved eksperimenter er så godt, fordi det giver os mulighed for at gå tilbage til beregningerne og tage det næste modige skridt mod tre dimensioner."

"At lede efter træk ved tredimensionel is vil være det næste skridt, "Zhu siger, "og bør være meget vigtig i søgningen efter anvendelser af dette arbejde."