Forskerhold opdager, at det kræver noget varme at danne is på grafen

I et blad udgivet i Naturkommunikation , forskerholdet beskriver de komplekse fysiske processer, der arbejder for at forstå kemien i isdannelse. Det molekylære niveau af denne proces kan hjælpe med at forudsige dannelsen og smeltningen af ​​is, fra individuelle krystaller til gletsjere og iskapper. Sidstnævnte er afgørende for at kvantificere miljøomstilling i forbindelse med klimaændringer og global opvarmning.

Holdet var i stand til at spore det første skridt i isdannelse, kaldet kernedannelse, hvilket sker på utrolig kort tid, en brøkdel af en milliardtedel af et sekund, når meget mobile individuelle vandmolekyler finder hinanden og smelter sammen. Imidlertid, konventionelle mikroskoper er alt for langsomme til at følge vandmolekylers bevægelse, så det er umuligt at bruge dem til at overvåge, hvordan molekyler kombineres oven på faste overflader.

Forskerholdet brugte en avanceret Helium Spin-Echo (HeSE) maskine til at følge atomers og molekylers bevægelse. Holdet brugte HeSE til at studere bevægelsen af ​​vandmolekyler på en model af uberørt grafenoverflade. Forskerne gjorde en bemærkelsesværdig observation:Vandmolekylerne frastøder hinanden og skal have tilstrækkelig energi til at overvinde denne frastødning, før is kan begynde at dannes.

Det er kombinationen af ​​både eksperimentelle og teoretiske metoder, der har gjort det muligt for det internationale hold af videnskabsmænd at optrevle vandmolekylernes adfærd. Sammen har disse fanget, for første gang, præcis hvordan det første trin i isdannelsen ved en overflade udvikler sig og giver dem mulighed for at foreslå en hidtil ukendt fysisk mekanisme.

Dr. Marco Sacchi, medforfatter til undersøgelsen og Royal Society University Research Fellow ved University of Surrey, sagde:"Vores resultater viser, at vandmolekyler skal overvinde en lille, men vigtig energibarriere, før de danner is. Vi håber, at vores unikke samarbejdsprojekt vil hjælpe os alle med at forstå de dramatiske ændringer, der sker på tværs af vores planet."

Dr. Anton Tamtögl, hovedforfatter og tilsvarende forfatter, fra Graz teknologiske universitet, tilføjer:"Observationerne ændrer fuldstændig vores forståelse af iskernedannelse. HeSE-resultaterne så meget lovende ud, men vandets bevægelse var utroligt kompliceret og antydede kontraintuitiv ny fysik. Vi besluttede, at atomistiske simuleringer var nødvendige for at fortolke resultaterne."

Dr. Andrew Jardine, læser i eksperimentel fysik fra University of Cambridge, en af ​​udviklerne af HeSE-metoden, sagde:"Teknikken revolutionerer fuldstændig vores evne til at følge fysiske og kemiske processer på enkeltmolekyleniveau."

Dr. Bill Allison, også fra University of Cambridge, sagde:"Afvisning mellem vandmolekyler er simpelthen ikke blevet overvejet under iskernedannelse - dette arbejde vil ændre alt det. De nyligt observerede interaktioner ændrer også den hastighed, hvormed nukleering finder sted, og dermed hvor der kan dannes is. Arbejdet vil derfor have vigtige konsekvenser for at forhindre isdannelse, som er relevant for så forskellige områder som vindkraft, luftfart og telekommunikation."