Figur 1:Två laserstrålar interagerar med molekyler på isytan, bilda en ny balk med en annan färg. Färgen och intensiteten på denna laserstråle innehåller detaljerad information om isytans molekylära struktur. Kredit:Nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (NWO)
Det är vid en temperatur på −70 ° C som vattenmolekyler på isytan gör de flesta bindningarna med varandra. AMOLF -forskare, tillsammans med ett internationellt team av kollegor, beskriv detta i en artikel i Fysiska granskningsbrev publicerad den 28 september. Insikter i beteendet hos det översta islagret är viktigt för att förstå hur glaciärer rör sig, hur laviner uppstår, och varför vi kan åka skridskor på is, bland annat.
Vatten är en konstig substans:det expanderar när det fryser. Eftersom den fasta formen av vatten (is) har en lägre densitet än den flytande varianten, is flyter på vatten. Det betyder att du kan åka skridskor på en sjö under en hård vinter medan fisken under dig fortsätter att simma. Denna ovanliga egenskap orsakas av vattnets molekylära struktur. En vattenmolekyl består av en syreatom med två väteatomer. Väteatomer bildar gärna en stark bindning med en syreatom från en annan vattenmolekyl:vi kallar detta en vätebindning.
Varje syreatom kan binda till högst fyra väteatomer:två från sin egen vattenmolekyl, och två från närliggande molekyler. Det kan hända i mitten av en klump djupfryst is, där vattenmolekylerna antar en kristallin struktur som ser ut som en samling vanliga hexagoner. Denna kristallstruktur tar ganska mycket plats, och det är det som gör isens densitet låg.
Dock, vattenmolekylerna vid isytan har ett problem. Dessa vattenmolekyler ligger inte i gränssnitt med andra vattenmolekyler utan med luft, så de kan inte utnyttja sina bindningsmöjligheter till fullo.
Maximalt antal obligationer
AMOLF -forskaren Wilbert Smit och AMOLF -gruppledaren Huib Bakker studerade hur strukturen på det yttersta islagret förändras som en följd av temperaturen. De fann att vid en omgivningstemperatur på cirka −70 ° C, vattenmolekylerna vid isytan bildar ett maximalt antal vätebindningar. Forskarna hittade också en förklaring till detta.
Figur 2:Tvärsnitt av isytan vid olika temperaturer. Den sexkantiga strukturen börjar smälta vid temperaturer under −70 ° C, vilket initialt leder till högre densitet av vätebindningar på isytan. Vid −70 ° C uppnås det maximala antalet vätebindningar. Kredit:Nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (NWO)
"Om det är mycket kallare än -70 ° C, då har det yttersta lagret av isen samma struktur som de vanliga sexkantarna under den, men snyggt halverad. Du kan jämföra strukturen med ett halvbyggt hus där stavarna i armerad betong fortfarande sticker upp från väggarna på första våningen ", säger Wilbert Smit.
När temperaturen stiger, isytan blir mindre strukturerad på grund av att vattenmolekylerna får mer rörelseenergi. Som ett resultat av detta, de ordnar om sig på ett sådant sätt att antalet bindningar mellan vattenmolekylerna initialt ökar. Denna omorganisation ger en högsta densitet av vätebindningar vid en temperatur av −70 ° C.
Vid temperaturer över −70 ° C, antalet bindningar mellan molekylerna minskar igen:det översta lagret beter sig allt mer som vatten och mindre som is. Detta betyder, till exempel, att ytan på isen vi åker skridskor på faktiskt inte är is utan ett lager av vatten.
Simuleringar och känslig teknik
De nederländska forskarna använde en avancerad teknik för forskningen som kallas sumfrekvensgenerationsspektroskopi. Denna teknik gör det möjligt att detektera molekylernas vibrationer på ytor genom att belysa ytan med två intensiva femtosekundlaserstrålar. Under rätt förutsättningar, ljusstrålarna interagerar med molekylerna på ytan och en ljusstråle med en annan färg bildas. Detta sker endast när strålarna reflekteras på ytan och inte på den underliggande strukturen. Färgen och intensiteten på den nya strålen innehåller därför uteslutande detaljerad information om ytstrukturen. Med hjälp av simuleringar från Max Planck Institute i Mainz, forskarna kunde översätta dessa resultat till ny kunskap om isytan.
