Onderzoeksteam ontdekt dat er wat warmte nodig is om ijs op grafeen te vormen

In een paper gepubliceerd in Nature Communicationsbeschrijft het onderzoeksteam de complexe fysische processen die aan het werk zijn 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 om de transformatie van het milieu in verband met klimaatverandering en opwarming van de aarde te kwantificeren.

Het team was in staat om de eerste stap in ijsvorming op te sporen, genaamd nucleatie, die plaatsvindt in een ongelooflijk korte tijd, een fractie van een miljardste van een seconde, wanneer zeer mobiele individuele watermoleculen elkaar vinden en samensmelten. Conventionele microscopen zijn echter veel te traag om de beweging van watermoleculen te volgen, dus het is onmogelijk om ze te gebruiken om te controleren hoe moleculen zich combineren op vaste oppervlakken.

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 hebben voldoende energie nodig om die afstoting te overwinnen voordat ijsvorming kan ontstaan.

Door de combinatie van zowel experimentele als theoretische methoden heeft het internationale team van wetenschappers het gedrag van de watermoleculen kunnen ontrafelen. Samen hebben deze voor het eerst precies vastgelegd hoe de eerste stap van ijsvorming aan een oppervlak evolueert en stellen ze in staat om een ​​voorheen onbekend fysisch 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 tonen aan dat watermoleculen een kleine maar belangrijke energiebarrière moeten overwinnen voordat ze ijs vormen. samenwerkingsproject zal ons allemaal helpen om de dramatische veranderingen die overal op onze planeet plaatsvinden te begrijpen. “

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

Dr. Andrew Jardine, een Reader in Experimental Physics aan de Universiteit van Cambridge, een van de ontwikkelaars van de HeSE-methode, zei: “De techniek zorgt voor een volledige revolutie in ons vermogen om fysische en chemische processen op het niveau van één molecuul te volgen.”

Dr. Bill Allison, ook van de Universiteit van Cambridge, zei: “Afstoting tussen watermoleculen is eenvoudigweg niet overwogen tijdens ijskiemvorming – dit werk zal dat allemaal veranderen. De nieuw waargenomen interacties veranderen ook de snelheid waarmee kiemvorming plaatsvindt, en dus waar ijs kan ontstaan. Het werk zal daarom belangrijke consequenties hebben bij het voorkomen van ijsvorming, wat relevant is voor uiteenlopende gebieden als windenergie, luchtvaart en telecommunicatie. ”