Op koude dagen, waterdamp in de lucht kan direct in vast ijs veranderen, het afzetten van een dunne laag op oppervlakken zoals een ruit of autoruit. Hoewel alledaags, dit proces is er een dat natuurkundigen en scheikundigen decennialang bezig heeft gehouden met het uitzoeken van de details.

in een nieuwe Natuur papier, een internationaal team van wetenschappers beschrijft de allereerste visualisatie van de atomaire structuur van tweedimensionaal ijs zoals het zich vormde. Inzichten uit de bevindingen, die werden aangedreven door computersimulaties die experimenteel werk inspireerden, kan op een dag het ontwerp van materialen informeren die het verwijderen van ijs een eenvoudiger en goedkoper proces maken.

"Een van de dingen die ik heel opwindend vind, is dat dit de traditionele kijk op hoe ijs groeit, uitdaagt, " zegt Joseph S. Francisco, een atmosferische chemicus aan de Universiteit van Pennsylvania en een auteur op het papier.

"Het kennen van de structuur is erg belangrijk, " voegt co-auteur Chongqin Zhu toe, een postdoctoraal fellow in de groep van Francisco die een groot deel van het computationele werk voor de studie leidde. "Laagdimensionaal water is alomtegenwoordig in de natuur en speelt een cruciale rol in een ongelooflijk breed spectrum van wetenschappen, inclusief materiaalkunde, scheikunde, biologie, en atmosferische wetenschap.

"Het heeft ook praktische betekenis. Bijvoorbeeld ijs verwijderen is van cruciaal belang als het gaat om zaken als windturbines, die niet kunnen functioneren als ze bedekt zijn met ijs. Als we de interactie tussen water en oppervlakken begrijpen, dan kunnen we misschien nieuwe materialen ontwikkelen om het verwijderen van ijs gemakkelijker te maken."

In recente jaren, Francisco's lab heeft veel aandacht besteed aan het bestuderen van het gedrag van water, en in het bijzonder ijs, op het grensvlak van vaste oppervlakken. Wat ze in deze context hebben geleerd over de groeimechanismen en structuren van ijs, helpt hen te begrijpen hoe ijs zich gedraagt ​​in complexere scenario's. zoals bij interactie met andere chemicaliën en waterdamp in de atmosfeer.

"We zijn geïnteresseerd in de chemie van ijs bij de overgang met de gasfase, omdat dat relevant is voor de reacties die in onze atmosfeer plaatsvinden, ' legt Frans uit.

Om de basisprincipes van ijsgroei te begrijpen, onderzoekers zijn dit studiegebied betreden door tweedimensionale structuren te onderzoeken:ijslagen die slechts enkele watermoleculen dik zijn.

In eerdere studies van tweedimensionaal ijs, met behulp van computationele methoden en simulaties, Francisco, Zhu, en collega's toonden aan dat ijs anders groeit, afhankelijk van of een oppervlak water afstoot of aantrekt, en de structuur van dat oppervlak.

In het huidige werk ze zochten real-world verificatie van hun simulaties, contact opnemen met een team van de Universiteit van Peking om te zien of ze beelden van tweedimensionaal ijs konden verkrijgen.

Het Peking-team gebruikte superkrachtige atoomkrachtmicroscopie, die een mechanische sonde gebruikt om het bestudeerde materiaal te "voelen", het vertalen van de feedback in afbeeldingen met een resolutie op nanoschaal. Atoomkrachtmicroscopie is in staat structurele informatie vast te leggen met een minimum aan verstoring van het materiaal zelf, waardoor de wetenschappers zelfs onstabiele tussenstructuren konden identificeren die ontstonden tijdens het proces van ijsvorming.

Vrijwel al het natuurlijk voorkomende ijs op aarde staat bekend als hexagonaal ijs vanwege zijn zeszijdige structuur. Dit is de reden waarom sneeuwvlokken allemaal zesvoudige symmetrie hebben. Eén vlak van hexagonaal ijs heeft een structuur die vergelijkbaar is met die van tweedimensionaal ijs en kan eindigen in twee soorten randen:"zigzag" of "fauteuil". Meestal eindigt dit vlak van natuurijs met een zigzagrand.

Echter, wanneer ijs in twee dimensies wordt gekweekt, onderzoekers vinden dat het groeipatroon anders is. Het huidige werk, Voor de eerste keer, laat zien dat de randen van de fauteuil kunnen worden gestabiliseerd en dat hun groei een nieuw reactiepad volgt.

"Dit is een totaal ander mechanisme dan wat bekend was, "zegt Zhu.

Hoewel eerder werd aangenomen dat de zigzaggroeipatronen slechts zesledige ringen van watermoleculen bevatten, zowel de berekeningen van Zhu als de atoomkrachtmicroscopie onthulden een tussenstadium waarin vijfledige ringen aanwezig waren.

Dit resultaat, zeggen de onderzoekers, kan helpen bij het verklaren van de experimentele waarnemingen die zijn gerapporteerd in hun PNAS-paper uit 2017, die ontdekte dat ijs op twee verschillende manieren op een oppervlak kon groeien, afhankelijk van de eigenschappen van dat oppervlak.

Naast het geven van inzicht in het toekomstige ontwerp van materialen die bevorderlijk zijn voor het verwijderen van ijs, de technieken die in het werk worden gebruikt, zijn ook toepasbaar om de groei van een grote familie van tweedimensionale materialen voorbij tweedimensionaal ijs te onderzoeken, daarmee een nieuwe weg openend voor het visualiseren van de structuur en dynamiek van laagdimensionale materie.

Voor chemicus Jeffrey Saven, een professor in Penn Arts &Sciences die niet direct betrokken was bij het huidige werk, de samenwerking tussen de theoretici in de groep van Francisco en hun collega's in China deed denken aan een gelijkenis die hij tijdens zijn opleiding van een mentor leerde.

"Een experimentator praat met theoretici over gegevens die in het laboratorium zijn verzameld. De middelmatige theoreticus zegt:'Ik kan je gegevens niet echt uitleggen.' De goede theoreticus zegt:'Ik heb een theorie die bij jouw gegevens past.' De grote theoreticus zegt:'Dat is interessant, maar hier is het experiment dat je zou moeten doen en waarom.'"

Om voort te bouwen op deze succesvolle samenwerking, Zhu, Francisco, en hun collega's beginnen met theoretisch en experimenteel werk om de hiaten in te vullen die verband houden met hoe tweedimensionaal ijs zich in drie dimensies opbouwt.

"Het tweedimensionale werk is fundamenteel voor het leggen van de achtergrond, ", zegt Francisco. "En het is zo goed om de berekeningen door experimenten te laten verifiëren, want dat stelt ons in staat om terug te gaan naar de berekeningen en de volgende gewaagde stap naar drie dimensies te zetten."

"Het zoeken naar kenmerken van driedimensionaal ijs zal de volgende stap zijn, "Zhu zegt, "en zou heel belangrijk moeten zijn bij het zoeken naar toepassingen van dit werk."