Het is bij een temperatuur van -70 °C dat watermoleculen aan het ijsoppervlak de meeste bindingen met elkaar aangaan. AMOLF-onderzoekers, samen met een internationaal team van collega's, beschrijf dit in een artikel in Fysieke beoordelingsbrieven gepubliceerd op 28 september. Inzichten in het gedrag van de bovenste ijslaag zijn belangrijk om te begrijpen hoe gletsjers bewegen, hoe lawines ontstaan, en waarom we op ijs kunnen schaatsen, onder andere.

Water is een vreemde substantie:het zet uit als het bevriest. Omdat de vaste vorm van water (ijs) een lagere dichtheid heeft dan de vloeibare variant, ijs drijft op water. Dit betekent dat je tijdens een strenge winter op een meer kunt schaatsen terwijl de vissen onder je blijven zwemmen. Deze ongebruikelijke eigenschap wordt veroorzaakt door de moleculaire structuur van water. Een watermolecuul bestaat uit één zuurstofatoom met twee waterstofatomen. Waterstofatomen vormen gelukkig een sterke binding met een zuurstofatoom van een ander watermolecuul:we noemen dit een waterstofbinding.

Elk zuurstofatoom kan zich binden aan maximaal vier waterstofatomen:twee van zijn eigen watermolecuul, en twee van nabijgelegen moleculen. Dat kan gebeuren in het midden van een klomp diepgevroren ijs, waarin de watermoleculen een kristallijne structuur aannemen die eruitziet als een verzameling regelmatige zeshoeken. Deze kristalstructuur neemt vrij veel ruimte in beslag, en dat is wat de dichtheid van ijs laag maakt.

Echter, de watermoleculen aan het oppervlak van ijs hebben een probleem. Deze watermoleculen liggen niet op een grensvlak met andere watermoleculen maar met lucht, zodat ze hun bindingsmogelijkheden niet ten volle kunnen benutten.

Maximaal aantal obligaties

AMOLF-onderzoeker Wilbert Smit en AMOLF-groepsleider Huib Bakker onderzochten hoe de structuur van de buitenste ijslaag verandert als gevolg van de temperatuur. Ze ontdekten dat bij een omgevingstemperatuur van ongeveer -70°C, de watermoleculen aan het ijsoppervlak vormen een maximaal aantal waterstofbruggen. Ook hiervoor vonden de onderzoekers een verklaring.

"Als het veel kouder is dan -70°C, dan heeft de buitenste laag van het ijs dezelfde structuur als de regelmatige zeshoeken eronder, maar netjes gehalveerd. Je kunt de constructie vergelijken met een half afgebouwd huis waar de staven van het gewapend beton nog uit de muren van de eerste verdieping steken", zegt Wilbert Smit.

Naarmate de temperatuur stijgt, het ijsoppervlak wordt minder gestructureerd doordat de watermoleculen meer kinetische energie krijgen. Als een resultaat hiervan, ze herschikken zichzelf zodanig dat het aantal bindingen tussen de watermoleculen aanvankelijk toeneemt. Deze herschikking levert de hoogste dichtheid van waterstofbruggen op bij een temperatuur van -70°C.

Bij temperaturen boven -70°C, het aantal bindingen tussen de moleculen neemt weer af:de toplaag gedraagt ​​zich steeds meer als water en minder als ijs. Dit betekent, bijvoorbeeld, dat het oppervlak van het ijs waarop we schaatsen eigenlijk geen ijs is, maar een laag water.

Simulaties en gevoelige techniek

De Nederlandse onderzoekers gebruikten voor het onderzoek een geavanceerde techniek, de zogenaamde sum-frequency generation spectroscopie. Deze techniek maakt het mogelijk om de trillingen van moleculen op oppervlakken te detecteren door het oppervlak te verlichten met twee intense femtoseconde laserlichtstralen. Onder de juiste omstandigheden, de lichtstralen interageren met de moleculen op het oppervlak en er ontstaat een lichtstraal met een andere kleur. Dit gebeurt alleen wanneer de stralen worden gereflecteerd op het oppervlak en niet op de onderliggende structuur. De kleur en intensiteit van de nieuwe bundel bevatten daarom uitsluitend gedetailleerde informatie over de oppervlaktestructuur. Met behulp van simulaties van het Max Planck Instituut in Mainz, de onderzoekers konden deze resultaten vertalen naar nieuwe kennis over het ijsoppervlak.