Zelfs ver onder het vriespunt begint het ijsoppervlak te smelten als de temperatuur stijgt

De natuurkunde is gevuld met mysteries. Om er een paar te vinden die het ontdekken waard zijn, hoeft u niet verder te zoeken dan een ijsblokje. Bij kamertemperatuur smelt de kubus natuurlijk voor je ogen. Maar zelfs ver onder het vriespunt kan ijs verschuiven op nauwelijks waarneembare manieren die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen. Met behulp van beeldvormingsapparatuur van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben onderzoekers een fenomeen ontdekt dat bekend staat als voorsmelten bij temperaturen die veel lager zijn dan eerder waargenomen.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Voorsmelten is de reden dat een stuk ijs zelfs op een ijskoude, heldere dag glad kan zijn. Hoewel de plek bevroren is, is een deel van het oppervlak nat, een idee dat voor het eerst werd geopperd door Michael Faraday halverwege de 19e eeuw. Het idee van een voorgesmolten, vloeistofachtige laag op ijs roept andere al lang bestaande vragen op over hoe water transformeert van vloeistof naar vast naar damp – en hoe het, onder bepaalde omstandigheden, alle drie tegelijk kan zijn.

In de recente studie onderzochten wetenschappers ijskristallen gevormd onder de min 200 graden Fahrenheit. Het team gebruikte Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, om de nanokristallen van ijs te laten groeien en observeren, die slechts 10 miljoenste van een meter in doorsnee hadden.

Naast wat de studie onthult over de aard van water bij temperaturen onder het vriespunt, demonstreert het ook een methode om gevoelige monsters in moleculair detail te onderzoeken: lage dosis transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM). TEM stuurt een stroom elektronen, subatomaire deeltjes, naar een object. Een detector creëert een beeld door op te merken hoe de elektronen van het object verstrooien.

“Sommige materialen zijn straalgevoelig. Als je een elektronenstraal gebruikt om ze in beeld te brengen, kunnen ze worden veranderd of vernietigd”, zegt Jianguo Wen, materiaalwetenschapper uit Argonne en hoofdauteur van het artikel. Een voorbeeld van een materiaal dat gevoelig is voor elektronenstralen zijn elektrolyten, die geladen deeltjes in batterijen uitwisselen.” Als je ze tot in de kleinste details kunt bestuderen zonder hun structuur te verstoren, zou dit kunnen helpen bij de ontwikkeling van betere batterijen.

Maar om te beginnen experimenteren onderzoekers met de lage dosis TEM-techniek op bevroren water. Water is immers goedkoop en overvloedig aanwezig. Meer nog, zei Wen: “IJs is een hele uitdaging om in beeld te brengen, omdat het zo onstabiel is onder de hoogenergetische elektronenstraal. Als we deze techniek met succes op ijs demonstreren, zal het afbeelden van andere straalgevoelige materialen een fluitje van een cent zijn. “

De lage dosistechniek combineert de aberratie-gecorrigeerde TEM van de CNM met een gespecialiseerde directe elektronendetectiecamera. Het systeem is uiterst efficiënt in het vastleggen van informatie van elk elektron dat een monster raakt. Het is dus mogelijk om een ​​beeld met hoge resolutie te verkrijgen met minder elektronen, waardoor het doel minder schade wordt toegebracht dan bij een conventionele TEM-benadering.

Het lage niveau van elektronenblootstelling maakt het mogelijk om zoiets delicaat als een ijskristal in situ of in zijn omgeving vast te leggen. Het onderzoeksteam gebruikte vloeibare stikstof om de ijskristallen op koolstofnanobuisjes te laten groeien bij 130 graden Kelvin, oftewel min 226 graden Fahrenheit.

Eerdere studies hadden voorsmelting dichtbij het tripelpunt van water waargenomen. Op het tripelpunt ligt de temperatuur slechts een haar boven het vriespunt en is de druk zo laag dat ijs, vloeistof en waterdamp tegelijk kunnen bestaan. Bij temperaturen en drukken onder het tripelpunt sublimeert ijs direct in waterdamp.

De ‘regels’ voor het gedrag van water worden vaak netjes samengevat in een eenvoudig fasediagram dat de verschillende toestanden van water bij verschillende combinaties van temperatuur en druk in kaart brengt.

“Maar de echte wereld is veel complexer dan dit eenvoudige fasediagram”, zegt Tao Zhou, materiaalwetenschapper uit Argonne en een andere corresponderende auteur van het artikel. “We hebben laten zien dat voorsmelten ver beneden in de curve kan gebeuren, hoewel we niet kunnen verklaren waarom.”

In een video die tijdens het experiment is gemaakt, is te zien hoe twee afzonderlijke nanokristallen in elkaar oplossen terwijl het ijs onder constante druk wordt opgewarmd tot 150 graden Kelvin, oftewel min 190 graden Fahrenheit. Hoewel het nog steeds ver onder het vriespunt lag, vormde het ijs een quasi-vloeistofachtige laag. Dit ultraviskeuze water valt niet onder de eenvoudige lijnen van het fasediagram, waar water rechtstreeks van ijs naar damp gaat.

Het onderzoek roept intrigerende vragen op die in toekomstig werk kunnen worden onderzocht. Wat is de exacte aard van de vloeistofachtige laag die de onderzoekers zagen? Wat zou er gebeuren als de druk stijgt, samen met de temperatuur? En baant deze techniek de weg naar een glimp van ‘niemandsland’, de toestand waarin supergekoeld water plotseling kristalliseert van vloeistof in ijs? Het eeuwenlange wetenschappelijke onderzoek naar de vele toestanden van water gaat door.

Co-auteurs met Wen en Zhou zijn Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt en Ilke Arslan uit Argonne; Yulin Lin en Aiwen Lei van de Universiteit van Wuhan; en Nathan Rosenmann van de Universiteit van Illinois in Chicago.