Ett team av kemister har upptäckt nya sätt på vilka fruset vatten reagerar på temperaturförändringar för att producera nya formationer. Dess resultat har konsekvenser för klimatforskning såväl som andra processer som involverar isbildning - från livsmedelskonservering till jordbruk.

"Frysning och smältning av is är bland de vanligaste händelserna på jorden, "förklarar Michael Ward, en professor i kemi vid New York University och en av medförfattarna till uppsatsen, som visas i journalen Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ). "Dessa processer är förvånansvärt komplexa, dock, och är inte väl förstådda på grund av antalet inblandade variabler. Våra fynd avslöjar några ovanliga dynamiska egenskaper hos isytor i kontakt med flytande vatten när isotopkompositionerna av fast och vätska skiljer sig åt. "

Tidningens andra författare inkluderar Ran Drori, en biträdande professor vid Yeshiva University; Miranda Holmes-Cerfon, en biträdande professor vid NYU:s Courant Institute of Mathematical Sciences; Bart Kahr, en professor vid NYU:s kemiska institution; och Robert Kohn, en professor vid NYU:s Courant Institute.

Att förstå dynamiken i iskristallisering - annars känd som isbildning - är avgörande för inte bara klimatforskning, men också i flera branscher:mildring av frostskador i jordbruk och byggnation, optimera livsmedelskonservering, och förstå dess inverkan på vägar, landningsbanor, och skenor.

I PNAS studie, forskarna fokuserade på flera former av vatten, och, särskilt, vatten som innehåller olika isotoper av väte - deras skillnader i neutronantal ger skillnader i atommassa. Dessa former inkluderade ljus, eller "normalt, "vatten (H2O) och" tungt vatten "(D2O), med deuterium (D) ökning av vattenmassan jämfört med normalt vatten.

Det har länge varit känt att olika isotoper ger olika egenskaper åt dessa olika typer av vatten - framför allt olika smältpunkter. H2O börjar smälta vid noll grader Celsius (32 grader Fahrenheit) medan D2O gör det vid 3,8 grader Celsius (nästan 39 grader Fahrenheit).

Skillnaden i smältpunkt är signifikant. Till exempel, Antarktis eller Grönlands iskärnor består av både H2O och D2O. Som ett resultat, de var frusna, och smälta, vid olika temperaturer. Den här egenskapen används för att uppskatta globala temperaturer under de senaste årtusenden.

Detta väcker frågan forskarna fokuserade på:Vad händer när vattentyper med olika frys- och smältpunkter interagerar?

Här, forskarna fann att, under förhållanden där temperaturen kontrollerades exakt, ytan på en D2O -kristallkontaktande vätska H2O antog ett skalat utseende, med dessa "vågliknande" funktioner som pendlar i timmar.

Även om NYU -teamet inte kunde simulera alla aspekter av de oscillerande funktionerna, de spekulerade i att de återspeglar en rad fenomen:ett komplext samspel mellan utbyte av lätt vatten mot tungt vatten i kristallen, små skillnader i smälttemperaturen längs det skalade gränssnittet, och värmeöverföring längs den vågliknande skulpterade isytan.

"Om dessa processer kan avvecklas helt, det kan främja vår förståelse av isens egenskaper som är viktiga på många arenor, inklusive klimatforskning, frostskador i jordbruk och konstruktion, glaciärdynamik, och livsmedelskonservering, "konstaterar Ward.