Een team van chemici heeft nieuwe manieren ontdekt waarop bevroren water reageert op temperatuurveranderingen om nieuwe formaties te produceren. De bevindingen hebben implicaties voor klimaatonderzoek en andere processen waarbij ijsvorming betrokken is, van voedselbehoud tot landbouw.

"Het bevriezen en smelten van ijs behoren tot de meest voorkomende gebeurtenissen op aarde, " legt Michael War uit, een professor in de chemie aan de New York University en een van de co-auteurs van het artikel, die in het journaal verschijnt Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). "Deze processen zijn verrassend complex, echter, en worden niet goed begrepen vanwege het aantal betrokken variabelen. Onze bevindingen onthullen enkele ongebruikelijke dynamische eigenschappen van ijsoppervlakken in contact met vloeibaar water wanneer de isotopensamenstellingen van de vaste stof en vloeistof verschillen."

Andere auteurs van het artikel zijn Ran Drori, een assistent-professor aan de Yeshiva University; Miranda Holmes-Cerfon, een assistent-professor aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de NYU; Bart Kahr, een professor in de scheikunde van de NYU; en Robert Kohn, een professor aan het Courant Institute van de NYU.

Het begrijpen van de dynamiek van ijskristallisatie - ook wel bekend als ijsvorming - is van vitaal belang, niet alleen in klimaatonderzoek, maar ook in verschillende industrieën:matiging van vorstschade in landbouw en bouw, het optimaliseren van voedselconservering, en de impact ervan op wegen te begrijpen, landingsbanen, en rails.

In de PNAS studie, de onderzoekers richtten zich op meerdere vormen van water, en, vooral, water dat verschillende isotopen van waterstof bevat - hun verschillen in het aantal neutronen produceren verschillen in atomaire massa. Deze vormen omvatten licht, of "normaal, " water (H2O) en "zwaar water" (D2O), waarbij deuterium (D) de watermassa vergroot in vergelijking met normaal water.

Het is al lang bekend dat verschillende isotopen verschillende eigenschappen verlenen aan deze verschillende soorten water, met name verschillende smeltpunten. H2O begint te smelten bij nul graden Celsius (32 graden Fahrenheit), terwijl D2O dit doet bij 3,8 graden Celsius (bijna 39 graden Fahrenheit).

De variantie in smeltpunt is aanzienlijk. Bijvoorbeeld, Antarctische of Groenlandse ijskernen zijn samengesteld uit zowel H2O als D2O. Als resultaat, ze waren bevroren, en smelten, bij verschillende temperaturen. Deze eigenschap wordt gebruikt om de wereldwijde temperaturen in de afgelopen millennia te schatten.

Dit roept de vraag op waar de onderzoekers zich op richtten:wat gebeurt er als watersoorten met verschillende vries- en smeltpunten op elkaar inwerken?

Hier, vonden de wetenschappers dat onder omstandigheden waarbij de temperatuur nauwkeurig werd gecontroleerd, het oppervlak van een D2O-kristal dat in contact kwam met vloeibare H2O kreeg een geschulpt uiterlijk, met deze "golfachtige" functies die urenlang oscilleren.

Hoewel het NYU-team niet alle aspecten van de oscillerende functies kon simuleren, ze speculeerden dat ze een reeks verschijnselen weerspiegelen:een complex samenspel van uitwisseling van licht water voor zwaar water in het kristal, kleine verschillen in de smelttemperatuur langs de geschulpte interface, en warmteoverdracht langs het golfachtige geschulpte ijsoppervlak.

"Als deze processen volledig kunnen worden ontrafeld, het kan ons begrip vergroten van de eigenschappen van ijs die belangrijk zijn in tal van arena's, inclusief klimaatonderzoek, vorstschade in landbouw en bouw, gletsjer dynamiek, en voedselconservering, ’ merkt Ward op.