150 anni fa, il fisico Michael Faraday scoprì che sulla superficie del ghiaccio ghiacciato, ben al di sotto di 0°C, è presente una sottile pellicola di acqua liquida. Questo film sottile rende il ghiaccio scivoloso ed è fondamentale per il movimento dei ghiacciai.

Dalla scoperta di Faraday, gli scienziati hanno esplorato le proprietà di questo strato simile all'acqua, cercando di determinare la temperatura alla quale la superficie diventa liquida. In che modo lo spessore dello strato dipende dalla temperatura? Come aumenta lo spessore dello strato con la temperatura? Continuamente? Per gradi? Gli esperimenti fino ad oggi hanno generalmente mostrato uno strato molto sottile, che cresce continuamente di spessore fino a 45 nm proprio al di sotto del punto di fusione a 0°C. Ciò illustra anche il motivo per cui è stato così difficile studiare questo strato di acqua liquida sul ghiaccio:45 nm è circa 1/1000 dello spessore dei capelli umani e non è distinguibile a occhio nudo.

Scienziati dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri (MPI-P), in collaborazione con ricercatori olandesi, Stati Uniti e Giappone, hanno studiato le proprietà di questo strato quasi liquido sul ghiaccio a livello molecolare utilizzando spettroscopia avanzata specifica per superficie e simulazioni al computer. I risultati sono pubblicati nell'ultima edizione della rivista scientifica Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Gli scienziati hanno studiato come si forma il sottile strato liquido sul ghiaccio, come cresce con l'aumentare della temperatura, e se è distinguibile dalla normale acqua liquida. Questi studi richiedevano superfici di cristalli di ghiaccio ben definite. Così, molti sforzi sono stati fatti per creare cristalli singoli di ghiaccio di ~10 cm, che poteva essere tagliato in modo tale che la struttura superficiale fosse misurabile. Le molecole d'acqua nel liquido hanno un'interazione più debole tra loro rispetto alle molecole d'acqua nel ghiaccio. Usando la loro spettroscopia interfacciale, abbinato al riscaldamento controllato del cristallo di ghiaccio, i ricercatori sono stati in grado di quantificare il cambiamento nell'interazione tra le molecole d'acqua direttamente all'interfaccia tra ghiaccio e aria, e determinare se la superficie era solida o liquida.

I risultati sperimentali, combinato con le simulazioni, ha mostrato che il primo strato molecolare sulla superficie del ghiaccio era fuso a temperature fino a -38 ° C (235 K), la temperatura più bassa che i ricercatori potrebbero studiare sperimentalmente. Aumentando la temperatura a -16° C (257 K), il secondo strato è diventato liquido. Lo scioglimento superficiale del ghiaccio non è un processo continuo, ma avviene in modo discontinuo, moda a strati.

"Un'altra domanda importante per noi era se si potesse distinguere tra le proprietà dello strato quasi liquido e quelle dell'acqua normale, "dice Mischa Bonn, coautore del paper e direttore presso l'MPI-P. E senza dubbio, lo strato quasi liquido a -4° C (269 K) mostra una risposta spettroscopica diversa rispetto all'acqua superraffreddata alla stessa temperatura; nello strato quasi liquido, le molecole d'acqua sembrano interagire più fortemente che nell'acqua liquida.

I risultati non sono importanti solo per una comprensione fondamentale del ghiaccio, ma anche per la scienza del clima, quante reazioni catalitiche si verificano sulle superfici di ghiaccio, e per i quali è cruciale la comprensione della struttura della superficie del ghiaccio.