Figura 1:due raggi laser interagiscono con le molecole sulla superficie del ghiaccio, formando un nuovo raggio con un colore diverso. Il colore e l'intensità di questo raggio laser contengono informazioni dettagliate sulla struttura molecolare della superficie del ghiaccio. Credito:Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO)
È a una temperatura di -70 °C che le molecole d'acqua sulla superficie del ghiaccio creano il maggior numero di legami tra loro. ricercatori AMOLF, insieme a un team internazionale di colleghi, descrivilo in un articolo in Lettere di revisione fisica pubblicato il 28 settembre. Le informazioni sul comportamento dello strato superiore di ghiaccio sono importanti per capire come si muovono i ghiacciai, come nascono le valanghe, e perché possiamo pattinare sul ghiaccio, tra l'altro.
L'acqua è una sostanza strana:si espande quando gela. Poiché la forma solida dell'acqua (ghiaccio) ha una densità inferiore rispetto alla variante liquida, il ghiaccio galleggia sull'acqua. Ciò significa che puoi pattinare su un lago durante un rigido inverno mentre i pesci sotto di te continuano a nuotare. Questa proprietà insolita è causata dalla struttura molecolare dell'acqua. Una molecola d'acqua è costituita da un atomo di ossigeno con due atomi di idrogeno. Gli atomi di idrogeno formano felicemente un forte legame con un atomo di ossigeno di un'altra molecola d'acqua:lo chiamiamo legame idrogeno.
Ogni atomo di ossigeno può legarsi al massimo a quattro atomi di idrogeno:due dalla propria molecola d'acqua, e due da molecole vicine. Può succedere al centro di un pezzo di ghiaccio ghiacciato, in cui le molecole d'acqua assumono una struttura cristallina che assomiglia ad un insieme di esagoni regolari. Questa struttura cristallina occupa molto spazio, e questo è ciò che rende bassa la densità del ghiaccio.
Però, le molecole d'acqua sulla superficie del ghiaccio hanno un problema. Queste molecole d'acqua non si trovano ad un'interfaccia con altre molecole d'acqua ma con l'aria, quindi non possono utilizzare al meglio le loro possibilità di legame.
Numero massimo di obbligazioni
Il ricercatore AMOLF Wilbert Smit e il leader del gruppo AMOLF Huib Bakker hanno studiato come la struttura dello strato più esterno di ghiaccio cambia in conseguenza della temperatura. Hanno scoperto che a una temperatura ambiente di circa -70°C, le molecole d'acqua sulla superficie del ghiaccio formano un numero massimo di legami idrogeno. I ricercatori hanno anche trovato una spiegazione per questo.
Figura 2:Sezioni trasversali della superficie del ghiaccio a diverse temperature. La struttura esagonale inizia a fondere a temperature inferiori a -70 ° C, che inizialmente porta a una maggiore densità di legami idrogeno sulla superficie del ghiaccio. A -70 °C si raggiunge il numero massimo di legami idrogeno. Credito:Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO)
"Se fa molto più freddo di -70°C, quindi lo strato più esterno del ghiaccio ha la stessa struttura degli esagoni regolari sottostanti, ma nettamente tagliato a metà. Si può paragonare la struttura a una casa semi-costruita dove i tondini del cemento armato sporgono ancora dalle pareti del primo piano", dice Wilbert Smit.
All'aumentare della temperatura, la superficie del ghiaccio diventa meno strutturata a causa dell'acquisizione di più energia cinetica da parte delle molecole d'acqua. Come risultato di questo, si riorganizzano in modo tale che inizialmente il numero di legami tra le molecole d'acqua aumenti. Questo riarrangiamento produce una densità più alta di legami idrogeno a una temperatura di -70°C.
A temperature superiori a -70°C, il numero di legami tra le molecole diminuisce nuovamente:lo strato superiore si comporta sempre più come acqua e meno come ghiaccio. Questo significa, Per esempio, che la superficie del ghiaccio su cui pattiniamo non è in realtà ghiaccio ma uno strato d'acqua.
Simulazioni e tecnica sensibile
I ricercatori olandesi hanno utilizzato una tecnica avanzata per la ricerca chiamata spettroscopia di generazione di frequenza somma. Questa tecnica consente di rilevare le vibrazioni delle molecole sulle superfici illuminando la superficie con due intensi fasci di luce laser a femtosecondi. Nelle giuste condizioni, i fasci luminosi interagiscono con le molecole sulla superficie e si forma un fascio luminoso di colore diverso. Ciò avviene solo quando i raggi vengono riflessi sulla superficie e non sulla struttura sottostante. Il colore e l'intensità del nuovo raggio contengono quindi esclusivamente informazioni dettagliate sulla struttura della superficie. Con l'aiuto delle simulazioni dell'Istituto Max Planck di Magonza, i ricercatori sono stati in grado di tradurre questi risultati in nuove conoscenze sulla superficie del ghiaccio.
