Schaatsen doe je op water, zelfs als het heel koud is

De buitenste laag van ijs gedraagt zich als vloeibaar water, zelfs bij een temperatuur van dertig graden onder nul. Dat hebben natuurkundigen van AMOLF onomstotelijk laten zien met een moderne oppervlaktegevoelige meettechniek. Wel wordt het laagje water steeds dunner bij lagere temperaturen. Ze rapporteren hun bevindingen vandaag online in het tijdschrift Angewandte Chemie.

Het feit dat ijs zo glad is zorgt er niet alleen voor dat gletsjers naar beneden glijden, maar ook dat je erop kunt schaatsen, terwijl dat niet kan op bijvoorbeeld een ondergrond van beton of glas. Maar wat maakt ijs zo glad? Dat komt onder andere doordat het buitenste laagje ervan meer lijkt op een vloeistof dan op een vaste stof. Amsterdamse onderzoekers laten nu voor het eerst met experimenten zien dat het oppervlak van ijs dezelfde eigenschappen heeft als vloeibaar water, zelfs bij dertig graden onder nul. Dit laagje water verklaart ook waarom twee ijsblokjes in de vriezer aan elkaar vast kunnen vriezen, terwijl dat met twee blokjes hout niet gebeurt.

AMOLF-onderzoekers Wilbert Smit en Huib Bakker bestudeerden de sterkte van de bindingen tussen watermoleculen in de toplaag van ijs. Omdat het oppervlak heel dun is, gebruikten ze hiervoor een gevoelige techniek die het gedrag van alleen de buitenste, moleculaire lagen van het oppervlak zichtbaar kan maken. Dat was in eerder onderzoek naar het oppervlak van ijs vaak nog een probleem, omdat de meetapparatuur geen onderscheid maakte tussen de toplaag en de rest van het ijs.

De twee onderzoekers vonden dat de vloeibare buitenlaag steeds dunner wordt naarmate de temperatuur zakt: van vier moleculaire lagen bij min drie, tot twee moleculaire lagen bij min dertig graden Celsius. Als je het ijs nog verder afkoelt, is uiteindelijk ook de buitenste laag helemaal vastgevroren. Dat zorgt er mede voor dat ijs minder glad wordt als het kouder is dan min dertig graden Celsius. Schaatsen bij dergelijke temperaturen is dan ook een stuk moeizamer.

Gevoelige techniek
De onderzoekers gebruikten een geavanceerde techniek, genaamd somfrequentiegeneratie spectroscopie. Deze techniek maakt het mogelijk om heel specifiek het gedrag van het oppervlak te registreren, zonder informatie door te geven over het gebied daaronder. Als je het oppervlak met twee intense lichtbundels van heel snelle (femtoseconde) lasers beschijnt, gaan de twee lichtbundels onder de juiste omstandigheden een interactie aan met alleen de moleculen aan het oppervlak. Hierdoor ontstaat een lichtbundel met een nieuwe kleur. De kleur en intensiteit van de nieuwe bundel bevatten gedetailleerde informatie over de moleculaire structuur van het oppervlak.

Door twee laserbundels (geïllustreerd als rood en groen) te combineren aan het oppervlak ontstaat een nieuwe lichtbundel (blauw) die gedetailleerde informatie bevat over de ordening van watermoleculen aan het oppervlak van ijs. Op deze manier ontdekten de onderzoekers dat het oppervlak van ijs zich precies zo gedraagt als vloeibaar water, zelfs bij een temperatuur van 30 graden onder nul.

Referentie
Wilbert J. Smit en Huib J. Bakker, The Surface of Ice is Like Supercooled Liquid Water, Angewandte Chemie 56, pp. 15540 –15544, DOI: 10.1002/anie.201707530