I en tidning publicerad i Naturkommunikation , forskargruppen beskriver de komplexa fysikaliska processer som är igång för att förstå kemin i isbildning. Perspektivet på molekylär nivå av denna process kan hjälpa till att förutsäga bildandet och smältningen av is, från enskilda kristaller till glaciärer och inlandsisar. Det senare är avgörande för att kvantifiera miljöomvandling i samband med klimatförändringar och global uppvärmning.

Teamet kunde spåra det första steget i isbildning, kallas kärnbildning, som händer på otroligt kort tid, en bråkdel av en miljarddels sekund, när mycket rörliga enskilda vattenmolekyler hittar varandra och smälter samman. Dock, konventionella mikroskop är alldeles för långsamma för att följa vattenmolekylernas rörelse, så det är omöjligt att använda dem för att övervaka hur molekyler kombineras ovanpå fasta ytor.

Forskargruppen använde en toppmodern Helium Spin-Echo (HeSE)-maskin för att följa atomers och molekylers rörelse. Teamet använde HeSE för att studera vattenmolekylernas rörelse på en modell av orörd grafenyta. Forskarna gjorde en anmärkningsvärd observation:vattenmolekylerna stöter bort varandra och behöver få tillräckligt med energi för att övervinna den repulsionen innan is kan börja bildas.

Det är kombinationen av både experimentella och teoretiska metoder som har gjort det möjligt för det internationella teamet av forskare att reda ut beteendet hos vattenmolekylerna. Tillsammans har dessa fångat, för första gången, exakt hur det första steget av isbildning vid en yta utvecklas och låter dem föreslå en tidigare okänd fysisk mekanism.

Dr Marco Sacchi, medförfattare till studien och Royal Society University Research Fellow vid University of Surrey, sa:"Våra resultat visar att vattenmolekyler måste övervinna en liten men viktig energibarriär innan de bildar is. Vi hoppas att vårt unika samarbetsprojekt kommer att hjälpa oss alla att förstå de dramatiska förändringarna som sker över hela vår planet."

Dr Anton Tamtögl, huvudansvarig och motsvarande författare, från Graz tekniska universitet, tillägger:"Observationerna förändrar helt vår förståelse av iskärnbildning. HeSE-resultaten såg mycket lovande ut, men vattnets rörelse var otroligt komplicerad och antydde kontraintuitiv ny fysik. Vi beslutade att atomistiska simuleringar behövdes för att tolka resultaten."

Dr Andrew Jardine, en läsare i experimentell fysik från University of Cambridge, en av utvecklarna av HeSE-metoden, sa:"Tekniken revolutionerar helt vår förmåga att följa fysiska och kemiska processer på en molekylnivå."

Dr Bill Allison, också från University of Cambridge, sade:"Repulsion mellan vattenmolekyler har helt enkelt inte beaktats under iskärnbildning - detta arbete kommer att förändra allt detta. De nyligen observerade interaktionerna ändrar också hastigheten med vilken kärnbildning äger rum, och därmed vid vilken is kan bildas. Arbetet kommer därför att få viktiga konsekvenser för att förhindra isbildning, som är relevant för så olika områden som vindkraft, flyg och telekommunikation."