Alleen als het ijs- en ijskoud is

Watermoleculen aan het oppervlak van ijs maken de meeste onderlinge verbindingen bij een temperatuur van zeventig graden onder nul. Dat schrijven AMOLF-onderzoekers samen met internationale collega’s op 28 september in een artikel in Physical Review Letters. Inzicht in het gedrag van de toplaag van ijs is onder andere belangrijk om te begrijpen hoe gletsjers bewegen, hoe lawines ontstaan, en waarom je kunt schaatsen op ijs.

Water is een raar goedje: Het zet uit als het bevriest. Omdat de vaste vorm van water (ijs) een lagere dichtheid heeft dan de vloeibare variant (water), ­drijft ijs op water en kun je in een straffe winter schaatsen op een meertje, terwijl de vissen eronder kunnen blijven zwemmen. Deze bijzondere eigenschap wordt veroorzaakt door de moleculaire structuur van water. Een watermolecuul bestaat uit een zuurstofatoom met twee waterstofatomen. Deze waterstofatomen gaan graag een sterke verbinding aan met een zuurstofatoom van een ander watermolecuul: een zogeheten waterstofbrug.

Elk zuurstofatoom kan maximaal gebonden zijn aan vier waterstofatomen: twee uit zijn eigen watermolecuul, en twee van nabijgelegen moleculen. Dat gebeurt bijvoorbeeld in het binnenste van een klomp diepgevroren ijs, waarin de watermoleculen een kristalstructuur aannemen die eruit ziet als een verzameling van regelmatige zeshoekjes. Deze kristalstructuur neemt vrij veel ruimte in en dat maakt de dichtheid van ijs laag.

De watermoleculen aan het ijsoppervlak zitten echter in de problemen. Deze watermoleculen grenzen niet aan andere watermoleculen maar aan lucht, en kunnen daardoor niet al hun bindingsmogelijkheden benutten. Welke structuur watermoleculen op het grensvlak met lucht dan wél aannemen is nog niet volledig bekend.

Maximaal aantal bruggen
AMOLF-onderzoeker Wilbert Smit en AMOLF-groepsleider Huib Bakker bestudeerden hoe de structuur van het allerbovenste laagje ijs verandert als gevolg van de temperatuur. Ze vonden dat bij een omgevingstemperatuur van ongeveer min zeventig graden Celsius de watermoleculen aan het ijsoppervlak het hoogste aantal waterstofbruggen vormen. De onderzoekers vonden hier ook een verklaring voor.

‘Als het veel kouder is dan zeventig graden onder nul, dan ziet de buitenste laag van ijs er net zo uit als de regelmatige zeshoeken eronder, maar dan keurig doormidden gesneden. Je kunt deze structuur vergelijken met een half-afgebouwd huis, waar de betondraden nog uit de muren van de eerste verdieping omhoog steken,’ vertelt Wilbert Smit.

Als de temperatuur stijgt richting −70 gradius Celsius raakt dit ijsoppervlak steeds minder geordend doordat de watermoleculen meer bewegingsenergie krijgen. Daardoor herschikken ze zich op zo’n manier dat in eerste instantie het aantal verbindingen tussen de watermoleculen toeneemt. Deze herschikking levert een maximaal aantal waterstofbruggen op bij een temperatuur van −70 °C.

Bij temperaturen boven de −70 °C neemt het aantal onderlinge verbinden weer af: de toplaag gaat zich steeds meer als water en steeds minder als ijs gedragen. Dit betekent onder andere dat het oppervlak van ijs waarop we schaatsen eigenlijk geen ijs is maar een laagje water.

Simulaties en gevoelige techniek
De Amsterdamse onderzoekers gebruikten voor hun onderzoek een geavanceerde techniek genaamd somfrequentiespectroscopie. Deze techniek maakt het mogelijk om de trillingen van moleculen aan oppervlakten te detecteren door het oppervlak met twee intense lichtbundels van een femtoseconde laser te beschijnen. De twee lichtbundels gaan onder de juiste omstandigheden een interactie aan met de moleculen aan het oppervlak en creëren daarbij een lichtbundel met een nieuwe kleur. Dit vindt alleen plaats bij een reflectie van de bundels aan een oppervlak, en niet aan de onderliggende structuur. Daarom bevatten de kleuren intensiteit van de nieuwe bundel gedetailleerde informatie over alleen de oppervlaktestructuur. Met behulp van simulaties van het Max Planck Instituut in Mainz konden de onderzoekers deze resultaten vertalen in nieuwe kennis van het ijsoppervlak.

Figuur 1: Twee laserstralen gaan een interactie aan met moleculen aan het oppervlak van ijs en daarbij onstaat een laserstraal met een nieuwe kleur. De kleur en intensiteit van deze laserstraal bevatten gedetailleerde informatie over de moleculaire structuur van het ijsoppervlak.

Figuur 2: Doorsnedes van het oppervlak van ijs bij verschillende temperaturen. De hexagonale structuur begint te smelten bij temperaturen beneden de −70 °C, wat in eerste instantie leidt tot een hogere dichtheid van waterstofbruggen aan het ijsoppervlak. Bij −70 °C is het aantal waterstofbruggen maximaal.

Referentie
Wilbert J. Smit, Fujie Tang, M. Alejandra Sánchez, Ellen H. G. Backus, Limei Xu, Taisuke Hasegawa, Mischa Bonn, Huib J. Bakker, and Yuki Nagata, Excess Hydrogen Bonding at the Ice–Vapor Interface around 200 K, Physical Review Letters 119, (28-09-17)