Автор AZoNano 27 мая 2021

Новое исследование, проведенное Университетом Суррея в сотрудничестве с Кембриджским университетом и Технологическим университетом Граца (Австрия), показывает, что вода необходима для того, чтобы вода прошла первый этап образования льда на графене.

В статье, опубликованной в Nature Communications исследовательская группа подробно описывает сложные физические процессы, которые используются для понимания химии образования льда. Перспектива этого процесса на молекулярном уровне может помочь в прогнозировании образования и таяния льда, от отдельных кристаллов до ледников и ледяных щитов. Последнее имеет решающее значение для количественной оценки трансформации окружающей среды в связи с изменением климата и глобальным потеплением ^[1] .

Группе удалось отследить первый этап образования льда, называемый зародышеобразованием, который происходит за невероятно короткий промежуток времени, доли миллиардной доли секунды, когда отдельные высокомобильные молекулы воды находят друг друга и сливаются. . Однако обычные микроскопы слишком медлительны, чтобы отслеживать движение молекул воды, поэтому их невозможно использовать для наблюдения за объединением молекул на твердых поверхностях.

Исследовательская группа использовала ультрасовременный гелиевый спин-эхо (HeSE), чтобы проследить движение атомов и молекул. Команда использовала HeSE для изучения движения молекул воды на модельной поверхности нетронутого графена ^[3,4] . Исследователи сделали замечательное наблюдение: молекулы воды отталкиваются друг от друга, и им необходимо набрать достаточно энергии, чтобы преодолеть это отталкивание, прежде чем лед сможет начать формироваться.

Это сочетание экспериментальных и теоретических методов, которое позволило международной группе ученых выяснить поведение молекул воды. Вместе они впервые зафиксировали, как именно развивается первая стадия образования льда на поверхности, и позволили им предложить ранее неизвестный физический механизм.

Доктор Марко Сакки, соавтор исследования и научный сотрудник Университета Королевского общества в Университете Суррея, сказал: «Наши результаты показывают, что молекулам воды необходимо преодолеть небольшой, но важный энергетический барьер перед образованием льда. Мы надеемся, что наш уникальный совместный проект поможет нам всем понять драматические изменения, происходящие на нашей планете ».

Доктор Антон Тамтёгл, ведущий автор и автор-корреспондент из Технологического университета Граца, добавляет: «Наблюдения полностью меняют наше понимание зарождения льда. Результаты HeSE выглядели многообещающими, но движение воды было невероятно сложным и предполагало нелогичную новую физику. Мы решили, что для интерпретации результатов необходимо атомистическое моделирование ».

Доктор Эндрю Джардин, читатель по экспериментальной физике из Кембриджского университета, один из разработчиков метода HeSE, сказал: «Этот метод полностью меняет нашу способность отслеживать физические и химические процессы на уровне отдельных молекул. . »

Доктор Билл Эллисон, также из Кембриджского университета, сказал: «Отталкивание между молекулами воды просто не учитывалось во время зарождения льда – эта работа все изменит. Недавно наблюдаемые взаимодействия также изменяют скорость, с которой происходит зародышеобразование, а следовательно, и скорость образования льда. Таким образом, работа будет иметь важные последствия для предотвращения образования льда, что актуально для таких разнообразных областей, как ветроэнергетика, авиация и телекоммуникации ».

Ссылки

1. https://climate.nasa.gov/vital-signs/ice-sheets/
2. Кембриджский центр атомного рассеяния, https: //atomscattering.phy.cam.ac.u k
3. А. Тамтёгл и др. Движение мономеров воды обнаруживает кинетический барьер для зарождения льда на графене. Нац. Commun. 12 3120 (2021).
4. «За бумагой» https://chemistrycommunity.nature.com/posts/it-takes-some-heat-to-form-ice

Источник: https://www.surrey.ac.uk/[19459008visible