Figure che illustrano il processo in cui un QLL, un sottile strato d'acqua sul ghiaccio, si trasforma in uno stato di parziale bagnatura. All'inizio (0,00 secondi), la superficie del ghiaccio è completamente ricoperta dal QLL. Dopo sei secondi, lo strato si è trasformato in goccioline (barra della scala:10 μm). Credito:Murata K. et al., PNAS, 17 ottobre 2016
Un team di scienziati dell'Università di Hokkaido ha svelato un mistero vecchio di 150 anni che circonda lo scioglimento superficiale dei cristalli di ghiaccio in ambienti sotto lo zero utilizzando un microscopio ottico avanzato.
"Il ghiaccio è bagnato sulla sua superficie":poiché questo fenomeno, chiamato fusione superficiale, è stato menzionato dallo scienziato britannico Michael Faraday più di 150 anni fa, la domanda sul perché l'acqua sulla superficie del ghiaccio non si congela in un ambiente sotto lo zero è rimasta senza risposta.
Nella loro ricerca del meccanismo alla base della fusione superficiale, il team ha utilizzato uno speciale microscopio ottico sviluppato congiuntamente con Olympus Corp. per osservare come gli strati d'acqua sottili, o strati quasi liquidi (QLL), nascono e scompaiono a varie temperature e livelli di pressione di vapore.
Secondo i risultati dei ricercatori, sottili strati d'acqua non bagnano in modo omogeneo e completo la superficie del ghiaccio, una scoperta che è contraria alla saggezza convenzionale. QLL, perciò, non sono in grado di esistere stabilmente all'equilibrio, e quindi vaporizzare.
Per di più, il team ha scoperto che i QLL si formano solo quando la superficie del ghiaccio cresce o sublima, in condizioni di vapore sovrasaturato o insaturo. Questa scoperta suggerisce fortemente che i QLL sono uno stato transitorio metastabile formato attraverso la crescita del vapore e la sublimazione del ghiaccio, ma sono assenti all'equilibrio.
"I nostri risultati contraddicono la comprensione convenzionale che supporta la formazione di QLL all'equilibrio, "dice Ken-ichiro Murata, l'autore principale dello studio presso l'Università di Hokkaido. "Però, confrontando gli stati energetici tra superfici bagnate e superfici asciutte, è una conseguenza corollaria che i QLL non possono essere mantenuti all'equilibrio. La fusione superficiale gioca un ruolo importante in vari fenomeni come la lubrificazione su ghiaccio, formazione di un buco nell'ozono, e generazione di elettricità nei temporali, di cui i nostri risultati possono contribuire alla comprensione."
È probabile che la ricerca fornisca un quadro universale per comprendere la fusione superficiale su altre superfici cristalline, pure.
