In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , il team di ricerca descrive in dettaglio i complessi processi fisici in atto per comprendere la chimica della formazione del ghiaccio. La prospettiva a livello molecolare di questo processo può aiutare a prevedere la formazione e lo scioglimento del ghiaccio, dai singoli cristalli ai ghiacciai e alle calotte glaciali. Quest'ultimo è fondamentale per quantificare la trasformazione ambientale in connessione con il cambiamento climatico e il riscaldamento globale.

Il team è stato in grado di rintracciare il primo passo nella formazione del ghiaccio, chiamato nucleazione, che avviene in un tempo incredibilmente breve, una frazione di miliardesimo di secondo, quando singole molecole d'acqua altamente mobili si incontrano e si fondono. Però, i microscopi convenzionali sono troppo lenti per seguire il movimento delle molecole d'acqua, quindi è impossibile usarli per monitorare come le molecole si combinano su superfici solide.

Il team di ricerca ha utilizzato una macchina Helium Spin-Echo (HeSE) all'avanguardia per seguire il movimento di atomi e molecole. Il team ha utilizzato HeSE per studiare il movimento delle molecole d'acqua su un modello di superficie incontaminata di grafene. I ricercatori hanno fatto un'osservazione notevole:le molecole d'acqua si respingono e hanno bisogno di ottenere energia sufficiente per superare quella repulsione prima che possa iniziare a formarsi il ghiaccio.

È la combinazione di metodi sperimentali e teorici che hanno permesso al team internazionale di scienziati di svelare il comportamento delle molecole d'acqua. Insieme questi hanno catturato, per la prima volta, esattamente come si evolve la prima fase della formazione del ghiaccio su una superficie e consente loro di proporre un meccanismo fisico precedentemente sconosciuto.

Dott. Marco Sacchi, coautore dello studio e ricercatore universitario della Royal Society presso l'Università del Surrey, ha dichiarato:"I nostri risultati mostrano che le molecole d'acqua devono superare una piccola ma importante barriera energetica prima di formare il ghiaccio. Speriamo che il nostro progetto di collaborazione unico possa aiutare in qualche modo tutti noi a comprendere i drammatici cambiamenti che stanno avvenendo in tutto il nostro pianeta".

Dott. Anton Tamtögl, principale e autore corrispondente, dell'Università tecnologica di Graz, aggiunge:"Le osservazioni alterano completamente la nostra comprensione della nucleazione del ghiaccio. I risultati di HeSE sembravano molto promettenti, ma il movimento dell'acqua era incredibilmente complicato e suggeriva una nuova fisica contro-intuitiva. Abbiamo deciso che erano necessarie simulazioni atomistiche per interpretare i risultati".

Dott. Andrew Jardine, un Reader in Fisica Sperimentale presso l'Università di Cambridge, uno degli sviluppatori del metodo HeSE, ha dichiarato:"La tecnica sta rivoluzionando completamente la nostra capacità di seguire i processi fisici e chimici a livello di singola molecola".

Dottor Bill Allison, anche dall'Università di Cambridge, ha dichiarato:"La repulsione tra le molecole d'acqua semplicemente non è stata considerata durante la nucleazione del ghiaccio:questo lavoro cambierà tutto. Le interazioni osservate di recente cambiano anche la velocità con cui avviene la nucleazione, e quindi in cui si può formare il ghiaccio. Il lavoro avrà quindi importanti conseguenze nella prevenzione della formazione di ghiaccio, che è rilevante per campi diversi come l'energia eolica, aviazione e telecomunicazioni".