In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het onderzoeksteam beschrijft de complexe fysieke processen op het werk om de chemie van ijsvorming te begrijpen. Het perspectief op moleculair niveau van dit proces kan helpen bij het voorspellen van de vorming en het smelten van ijs, van individuele kristallen tot gletsjers en ijskappen. Dit laatste is cruciaal voor het kwantificeren van milieutransformatie in verband met klimaatverandering en opwarming van de aarde.

Het team kon de eerste stap in ijsvorming opsporen, nucleatie genoemd, wat in een ongelooflijk korte tijd gebeurt, een fractie van een miljardste van een seconde, wanneer zeer mobiele individuele watermoleculen elkaar vinden en samensmelten. Echter, conventionele microscopen zijn veel te traag om de beweging van watermoleculen te volgen, dus het is onmogelijk om ze te gebruiken om te volgen hoe moleculen zich op vaste oppervlakken combineren.

Het onderzoeksteam gebruikte een ultramoderne Helium Spin-Echo (HeSE) machine om de beweging van atomen en moleculen te volgen. Het team gebruikte HeSE om de beweging van watermoleculen op een model ongerept grafeenoppervlak te bestuderen. De onderzoekers deden een opmerkelijke observatie:de watermoleculen stoten elkaar af en moeten voldoende energie krijgen om die afstoting te overwinnen voordat ijs kan beginnen te vormen.

Het is de combinatie van zowel experimentele als theoretische methoden die het internationale team van wetenschappers in staat hebben gesteld het gedrag van de watermoleculen te ontrafelen. Samen hebben deze gevangen, Voor de eerste keer, precies hoe de eerste stap van ijsvorming aan een oppervlak evolueert en stelt hen in staat een voorheen onbekend fysiek mechanisme voor te stellen.

Dr. Marco Sacchi, co-auteur van de studie en Royal Society University Research Fellow aan de Universiteit van Surrey, zei:"Onze resultaten laten zien dat watermoleculen een kleine maar belangrijke energiebarrière moeten overwinnen voordat ze ijs vormen. We hopen dat ons unieke samenwerkingsproject ons allemaal zal helpen de dramatische veranderingen te begrijpen die overal op onze planeet plaatsvinden."

Dr. Anton Tamtögl, hoofd en corresponderende auteur, van de Technische Universiteit van Graz, voegt toe:"De waarnemingen veranderen ons begrip van ijskiemvorming volledig. De HeSE-resultaten zagen er veelbelovend uit, maar de beweging van water was ongelooflijk ingewikkeld en suggereerde contra-intuïtieve nieuwe fysica. We besloten dat atomistische simulaties nodig waren om de resultaten te interpreteren."

Dr. Andrew Jardine, een Lezer in Experimentele Natuurkunde van de Universiteit van Cambridge, een van de ontwikkelaars van de HeSE-methode, zei:"De techniek zorgt voor een complete revolutie in ons vermogen om fysieke en chemische processen op het niveau van een enkel molecuul te volgen."

Dr. Bill Allison, ook van de Universiteit van Cambridge, zei:"Afstoting tussen watermoleculen is gewoon niet overwogen tijdens ijskiemvorming - dit werk zal dat allemaal veranderen. De nieuw waargenomen interacties veranderen ook de snelheid waarmee nucleatie plaatsvindt, en dus waar ijs kan ontstaan. De werkzaamheden zullen dus belangrijke gevolgen hebben bij het voorkomen van ijsvorming, die relevant is voor uiteenlopende vakgebieden als windenergie, luchtvaart en telecommunicatie."