‘Buitenste laag ijs gedraagt zich als vloeibaar water’

‘Buitenste laag ijs gedraagt zich als vloeibaar water’

Nederlandse natuurkundigen hebben aangetoond dat de bovenste laag van ijs zich gedraagt als vloeibaar water. Zelfs bij 30 graden Celsius onder nul.

Als het een paar nachten goed heeft gevroren, is het voor veel mensen feest buiten, want dan kunnen de schaatsen worden ondergebonden en kun je flinke slagen maken op het gladde, bevroren water. Maar wanneer de ondergrond uit beton of glas bestaat, kun je er niet op schaatsen, want dat wordt niet glad. Wat maakt ijs dan zo glad?

Onderzoekers van het NWO-instituut AMOLF hebben nu voor het eerst aangetoond hoe dat komt. Het dunne oppervlak van ijs heeft namelijk dezelfde eigenschappen als vloeibaar water, zelfs bij dertig graden onder nul.

Gevoelige techniek

De Amsterdamse onderzoekers Wilbert Smit en Huib Bakker (Universiteit van Amsterdam) bestudeerden de sterkte van de bindingen tussen watermoleculen in de bovenste laag van ijs. Dit oppervlak is ontzettend dun, daarom moesten ze een zeer gevoelige techniek toepassen die het gedrag van alleen de buitenste laag moleculen van het ijsoppervlak zichtbaar kan maken. Hiervoor gebruikten Smit en Bakker somfrequentiegeneratie (SFG) spectroscopie.

Dankzij deze vorm van spectroscopie kan het gedrag van de watermoleculen op het ijsoppervlak worden bestudeerd, zonder informatie door te geven over het gebied daaronder.

Kristalstructuur

SFG-spectroscopie werkt als volgt: twee intense lichtbundels van extreem snelle lasers beschijnen het ijsoppervlak. Onder de juiste omstandigheden gaan deze laserbundels 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 bovenste laagje ijs. Zo ontdekten de onderzoekers dat de bovenste molecuullagen van ijs sterk op vloeibaar water lijken.

Ook hebben de twee wetenschappers een theorie voor deze vloeibare laag op het ijs. Stel je hebt een ijsklont. Die bestaat natuurlijk uit allemaal watermoleculen die netjes op hun plaats worden gehouden door de omliggende watermoleculen. Maar de buitenste laag heeft aan de luchtkant geen buren meer, waardoor de kristalstructuur niet optimaal is daar. “Die moleculen roeren zich om gunstigere verbindingen aan te gaan met de watermoleculen om zich heen,” zegt Smit, “waardoor ze een waterlaag vormen.”

Deze vloeibare buitenlaag wordt wel steeds dunner naarmate de temperatuur daalt. Rond de -30 graden Celsius bestaat de laag nog maar uit twee moleculaire lagen, terwijl die bij hogere temperatuur uit vier lagen kan bestaan.

Smit is onlangs gepromoveerd aan de Universiteit van Amsterdam op dit onderzoek.

Bronnen: Angewandte Chemie, persbericht AMOLF, Universiteit van Amsterdam