150 jaar geleden, natuurkundige Michael Faraday ontdekte dat aan het oppervlak van bevroren ijs, ruim onder 0°C, er is een dunne film van vloeistofachtig water aanwezig. Deze dunne film maakt ijs glad en is cruciaal voor de beweging van gletsjers.

Sinds de ontdekking van Faraday, wetenschappers hebben de eigenschappen van deze waterachtige laag onderzocht, proberen de temperatuur te bepalen waarbij het oppervlak vloeibaar wordt. Hoe hangt de dikte van de laag af van de temperatuur? Hoe neemt de dikte van de laag toe met de temperatuur? Doorlopend? Stapsgewijs? Experimenten tot nu toe hebben over het algemeen een zeer dunne laag aangetoond, die continu in dikte groeit tot 45 nm net onder het bulksmeltpunt bij 0°C. Dit illustreert ook waarom het zo uitdagend was om deze laag vloeistofachtig water op ijs te bestuderen - 45 nm is ongeveer 1/1000ste van de dikte van mensenhaar en is niet waarneembaar met het oog.

Wetenschappers van het Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), in samenwerking met onderzoekers uit Nederland, de VS en Japan, hebben de eigenschappen van deze quasi-vloeibare laag op ijs op moleculair niveau bestudeerd met behulp van geavanceerde oppervlaktespecifieke spectroscopie en computersimulaties. De resultaten zijn gepubliceerd in de nieuwste editie van het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings van de National Academy of Science ( PNAS ).

De wetenschappers onderzochten hoe de dunne vloeistoflaag op ijs wordt gevormd, hoe het groeit met toenemende temperatuur, en of het te onderscheiden is van normaal vloeibaar water. Deze studies vereisten goed gedefinieerde ijskristaloppervlakken. Dus, er is veel moeite gestoken in het maken van ~10 cm enkele ijskristallen, die zo gesneden konden worden dat de oppervlaktestructuur meetbaar was. Watermoleculen in de vloeistof hebben een zwakkere interactie met elkaar in vergelijking met watermoleculen in ijs. Met behulp van hun grensvlakspectroscopie, gecombineerd met de gecontroleerde verwarming van het ijskristal, de onderzoekers waren in staat om de verandering in de interactie tussen watermoleculen direct op het grensvlak tussen ijs en lucht te kwantificeren, en bepalen of het oppervlak vast of vloeibaar was.

De experimentele resultaten, gecombineerd met de simulaties, toonde aan dat de eerste moleculaire laag aan het ijsoppervlak gesmolten was bij temperaturen tot -38°C (235 K), de laagste temperatuur die de onderzoekers experimenteel konden onderzoeken. Verhogen van de temperatuur tot -16° C (257 K), de tweede laag werd vloeibaar. Het smelten van ijs aan de oppervlakte is geen continu proces, maar komt voor in een discontinue, laag voor laag mode.

"Een andere belangrijke vraag voor ons was of men onderscheid kon maken tussen de eigenschappen van de quasi-vloeibare laag en die van normaal water, " zegt Mischa Bonn, co-auteur van het papier en directeur bij de MPI-P. En inderdaad, de quasi-vloeibare laag bij -4°C (269 K) vertoont een andere spectroscopische respons dan onderkoeld water bij dezelfde temperatuur; in de quasi-vloeibare laag, de watermoleculen lijken sterker op elkaar in te werken dan in vloeibaar water.

De resultaten zijn niet alleen belangrijk voor een fundamenteel begrip van ijs, maar ook voor klimaatwetenschap, omdat veel katalytische reacties plaatsvinden op ijsoppervlakken, en waarvoor het begrip van de structuur van het ijsoppervlak cruciaal is.