Nei giorni freddi, il vapore acqueo nell'aria può trasformarsi direttamente in ghiaccio solido, depositando uno strato sottile su superfici come il vetro di una finestra o il parabrezza di un'auto. Sebbene banale, questo processo ha tenuto occupati fisici e chimici per decenni a capire i dettagli.

In un nuovo Natura carta, un team internazionale di scienziati descrive la prima visualizzazione in assoluto della struttura atomica del ghiaccio bidimensionale mentre si è formato. Approfondimenti dai risultati, che sono stati guidati da simulazioni al computer che hanno ispirato il lavoro sperimentale, potrebbe un giorno informare la progettazione di materiali che rendono la rimozione del ghiaccio un processo più semplice e meno costoso.

"Una delle cose che trovo molto eccitante è che questo sfida la visione tradizionale di come cresce il ghiaccio, " dice Joseph S. Francisco, un chimico atmosferico presso l'Università della Pennsylvania e un autore della carta.

"Conoscere la struttura è molto importante, " aggiunge il coautore Chongqin Zhu, un borsista post-dottorato nel gruppo di Francisco che ha guidato gran parte del lavoro computazionale per lo studio. "L'acqua a bassa dimensionalità è onnipresente in natura e svolge un ruolo fondamentale in uno spettro incredibilmente ampio di scienze, compresa la scienza dei materiali, chimica, biologia, e la scienza dell'atmosfera.

"Ha anche un significato pratico. Ad esempio, rimuovere il ghiaccio è fondamentale quando si tratta di cose come le turbine eoliche, che non possono funzionare quando sono ricoperti di ghiaccio. Se comprendiamo l'interazione tra acqua e superfici, allora potremmo essere in grado di sviluppare nuovi materiali per rendere più facile la rimozione del ghiaccio".

Negli ultimi anni, Il laboratorio di Francisco ha dedicato una notevole attenzione allo studio del comportamento dell'acqua, e in particolare il ghiaccio, all'interfaccia di superfici solide. Ciò che hanno appreso sui meccanismi e sulle strutture di crescita del ghiaccio in questo contesto li aiuta a capire come si comporta il ghiaccio in scenari più complessi, come quando si interagisce con altri prodotti chimici e vapore acqueo nell'atmosfera.

"Siamo interessati alla chimica del ghiaccio al passaggio con la fase gassosa, poiché è rilevante per le reazioni che stanno avvenendo nella nostra atmosfera, "Spiega Francesco.

Per comprendere i principi di base della crescita del ghiaccio, i ricercatori sono entrati in quest'area di studio studiando strutture bidimensionali:strati di ghiaccio dello spessore di poche molecole d'acqua.

In precedenti studi sul ghiaccio bidimensionale, utilizzando metodi e simulazioni computazionali, Francesco, Zhu, e colleghi hanno dimostrato che il ghiaccio cresce in modo diverso a seconda che una superficie respinga o attragga l'acqua, e la struttura di quella superficie.

Nel lavoro attuale, hanno cercato la verifica nel mondo reale delle loro simulazioni, contattando un team dell'Università di Pechino per vedere se potevano ottenere immagini di ghiaccio bidimensionale.

Il team di Pechino ha impiegato una microscopia a forza atomica super potente, che utilizza una sonda meccanica per "sentire" il materiale che si sta studiando, traducendo il feedback in immagini a risoluzione nanometrica. La microscopia a forza atomica è in grado di catturare informazioni strutturali con un minimo di interruzione del materiale stesso, consentendo agli scienziati di identificare anche strutture intermedie instabili che si sono formate durante il processo di formazione del ghiaccio.

Praticamente tutto il ghiaccio naturale sulla Terra è noto come ghiaccio esagonale per la sua struttura a sei facce. Questo è il motivo per cui i fiocchi di neve hanno tutti una simmetria di sei volte. Un piano di ghiaccio esagonale ha una struttura simile a quella del ghiaccio bidimensionale e può terminare con due tipi di bordi:"zigzag" o "poltrona". Di solito questo piano di ghiaccio naturale termina con bordi a zigzag.

Però, quando il ghiaccio è cresciuto in due dimensioni, i ricercatori trovano che il modello di crescita è diverso. Il lavoro attuale, per la prima volta, mostra che i bordi della poltrona possono essere stabilizzati e che la loro crescita segue un nuovo percorso di reazione.

"Questo è un meccanismo totalmente diverso da quello che si sapeva, " dice Zhu.

Sebbene in precedenza si ritenesse che i modelli di crescita a zigzag avessero solo anelli a sei membri di molecole d'acqua, sia i calcoli di Zhu che la microscopia a forza atomica hanno rivelato uno stadio intermedio in cui erano presenti anelli a cinque membri.

Questo risultato, dicono i ricercatori, può aiutare a spiegare le osservazioni sperimentali riportate nel loro documento PNAS del 2017, che ha scoperto che il ghiaccio può crescere in due modi diversi su una superficie, a seconda delle proprietà di quella superficie.

Oltre a fornire informazioni sulla progettazione futura di materiali che favoriscono la rimozione del ghiaccio, le tecniche utilizzate nel lavoro sono applicabili anche per sondare la crescita di una grande famiglia di materiali bidimensionali oltre i ghiacci bidimensionali, aprendo così una nuova strada per visualizzare la struttura e la dinamica della materia a bassa dimensione.

Per il chimico Jeffrey Saven, un professore di Penn Arts &Sciences che non è stato direttamente coinvolto nel lavoro in corso, la collaborazione tra i teorici del gruppo di Francisco ei loro colleghi in Cina ha ricordato una parabola appresa da un mentore durante la sua formazione.

"Uno sperimentatore sta parlando con i teorici dei dati raccolti in laboratorio. Il teorico mediocre dice, "Non posso davvero spiegare i tuoi dati." Il buon teorico dice, "Ho una teoria che si adatta ai tuoi dati." Il grande teorico dice, 'Interessante, ma ecco l'esperimento che dovresti fare e perché.'"

Per costruire su questa partnership di successo, Zhu, Francesco, e i loro colleghi stanno intraprendendo un lavoro teorico e sperimentale per iniziare a colmare le lacune relative al modo in cui il ghiaccio bidimensionale si costruisce in tre dimensioni.

"Il lavoro bidimensionale è fondamentale per la posa dello sfondo, " dice Francisco. "E avere i calcoli verificati da esperimenti è così buono, perché questo ci permette di tornare ai calcoli e fare il prossimo passo audace verso le tre dimensioni".

"Cercare le caratteristiche del ghiaccio tridimensionale sarà il prossimo passo, "Zhu dice, "e dovrebbe essere molto importante nella ricerca di applicazioni di questo lavoro."