På kalla dagar, vattenånga i luften kan omvandlas direkt till fast is, avsätta ett tunt lager på ytor som en fönsterruta eller bilruta. Fast vanligt, denna process är en som har hållit fysiker och kemister på att ta reda på detaljerna i årtionden.

I en ny Natur papper, ett internationellt team av forskare beskriver den första visualiseringen av atomstrukturen för tvådimensionell is när den bildades. Insikter från resultaten, som drevs av datasimuleringar som inspirerade till experimentellt arbete, kan en dag informera designen av material som gör isavlägsnande till en enklare och billigare process.

"En av de saker som jag tycker är mycket spännande är att detta utmanar den traditionella synen på hur is växer, "säger Joseph S. Francisco, en atmosfärisk kemist vid University of Pennsylvania och en författare på tidningen.

"Att känna till strukturen är mycket viktigt, "tillägger medförfattaren Chongqin Zhu, en postdoktor i Franciscos grupp som ledde mycket av beräkningsarbetet för studien. "Lågdimensionellt vatten är allestädes närvarande i naturen och spelar en kritisk roll i ett otroligt brett spektrum av vetenskaper, inklusive materialvetenskap, kemi, biologi, och atmosfärisk vetenskap.

"Det har också praktisk betydelse. Till exempel, att ta bort is är avgörande när det gäller saker som vindkraftverk, som inte kan fungera när de är täckta av is. Om vi ​​förstår samspelet mellan vatten och ytor, då kanske vi kan utveckla nya material för att underlätta isborttagningen. "

Under de senaste åren har Francisco's lab har ägnat stor uppmärksamhet åt att studera vattnets beteende, och specifikt is, vid gränsytan mellan fasta ytor. Vad de har lärt sig om isens tillväxtmekanismer och strukturer i detta sammanhang hjälper dem att förstå hur is beter sig i mer komplexa scenarier, som vid interaktion med andra kemikalier och vattenånga i atmosfären.

"Vi är intresserade av isens kemi vid övergången med gasfasen, eftersom det är relevant för de reaktioner som händer i vår atmosfär, "Förklarar Francisco.

För att förstå grundprinciperna för istillväxt, forskare har kommit in på detta studieområde genom att undersöka tvådimensionella strukturer:islager som bara är flera vattenmolekyler tjocka.

I tidigare studier av tvådimensionell is, med hjälp av beräkningsmetoder och simuleringar, Francisco, Zhu, och kollegor visade att is växer olika beroende på om en yta stöter bort eller lockar vatten, och ytans struktur.

I det pågående arbetet, de sökte verklig verifiering av sina simuleringar, kontakta ett team vid Peking University för att se om de kan få bilder av tvådimensionell is.

Peking-teamet använde superkraftig atomkraftsmikroskopi, som använder en mekanisk sond för att "känna" det material som studeras, översätta feedbacken till bilder med nanoskalaupplösning. Atomkraftsmikroskopi kan fånga strukturell information med ett minimum av störningar i själva materialet, låta forskarna identifiera även instabila mellanliggande strukturer som uppstod under isbildningsprocessen.

Nästan all naturligt förekommande is på jorden är känd som sexkantig is för sin sexsidiga struktur. Det är därför snöflingor alla har sexfaldig symmetri. Ett plan med sexkantig is har en struktur som liknar tvådimensionell is och kan avslutas i två typer av kanter-"sicksack" eller "fåtölj". Vanligtvis slutar detta plan av naturlig is med sicksackkanter.

Dock, när is odlas i två dimensioner, forskare finner att tillväxtmönstret är annorlunda. Det pågående arbetet, för första gången, visar att fåtöljskanterna kan stabiliseras och att deras tillväxt följer en ny reaktionsväg.

"Detta är en helt annan mekanism än vad som var känt, "Säger Zhu.

Även om zigzag-tillväxtmönstren tidigare trodde att de bara hade sex-ledade ringar av vattenmolekyler, både Zhus beräkningar och atomkraftmikroskopi avslöjade ett mellanstadium där femledade ringar var närvarande.

Detta resultat, säger forskarna, kan hjälpa till att förklara de experimentella observationer som rapporterats i deras PNAS -papper från 2017, som fann att is kunde växa på två olika sätt på en yta, beroende på egenskaperna hos ytan.

Förutom att ge insikt om framtida design av material som bidrar till isborttagning, teknikerna som används i arbetet är också tillämpliga för att undersöka tillväxten av en stor familj av tvådimensionella material bortom tvådimensionella isar, därmed öppnas en ny väg för att visualisera strukturen och dynamiken i lågdimensionell materia.

För kemisten Jeffrey Saven, en professor i Penn Arts &Sciences som inte var direkt involverad i det pågående arbetet, samarbetet mellan teoretikerna i Franciscos grupp och deras kollegor i Kina påminde om en liknelse han lärde sig av en mentor under sin utbildning.

"En experimentist talar med teoretiker om data som samlats in i labbet. Den mediokra teoretikern säger, "Jag kan inte riktigt förklara dina uppgifter." Den gode teoretikern säger, 'Jag har en teori som passar dina uppgifter.' Den store teoretikern säger, 'Det är intressant, men här är experimentet du borde göra och varför. '"

För att bygga vidare på detta framgångsrika partnerskap, Zhu, Francisco, och deras kollegor påbörjar teoretiskt och experimentellt arbete för att börja fylla i luckorna relaterade till hur tvådimensionell is bygger sig in i tre dimensioner.

"Det tvådimensionella arbetet är grundläggande för att lägga bakgrunden, "säger Francisco." Och att få beräkningarna verifierade av experiment är så bra, för det gör att vi kan gå tillbaka till beräkningarna och ta nästa djärva steg mot tre dimensioner. "

"Att leta efter funktioner i tredimensionell is blir nästa steg, "Säger Zhu, "och borde vara mycket viktigt för att leta efter tillämpningar av detta arbete."