IJs smelt laag voor laag. De eerste laag watermoleculen is beneden -38 ºC al vloeibaar, de tweede laag smelt plotseling bij -16 ºC. Ellen Backus, Mischa Bonn en collega’s van het Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz hebben daar voor het eerst metingen aan gedaan, schrijven ze deze week in PNAS.

Dát op bevroren water een min of meer vloeibaar laagje zit, is 150 jaar geleden al vastgesteld door Michael Faraday. Dat dat laagje dikker wordt naarmate de temperatuur stijgt in de richting van het officiële vriespunt, was ook bekend. Maar vlak onder de 0 ºC is de vloeistoflaag nog steeds maar 45 nm dik.

Met hulp van het instituut Amolf in Amsterdam, Bonns vorige werkplek, is het nu gelukt hier metingen aan te doen met behulp van oppervlaktespecifieke vibrational sum frequency generation spectroscopy. Uiteraard maakt het daarbij behoorlijk uit naar welk kristalvlak van je ijs je kijkt. En er ging dan ook veel tijd zitten in het maken van ijskristallen waarvan exact bekend was welk kristalvlak bovenop lag.

De eerder genoemde temperaturen gelden voor het basale vlak van hexagonaal ijs. De bovenste laag (of juister: bilaag) bleek al vloeibaar bij de minimaal te bereiken meettemperatuur, -38 ºC. De tweede bilaag komt bij -16 ºC ineens los omdat de waterstofbruggen tussen de moleculen dan sprongsgewijs lijken te verzwakken.

Computersimulaties hebben achteraf bevestigd dat het zo kan werken.

Volgens Bonn is er wel iets vreemds met de vloeistoflaag. Bij -4 ºC zie je een ander spectrum dan wanneer je kijkt naar vloeibaar water dat je onderkoelt tot dezelfde temperatuur. Boven ijs lijkt de interactie tussen de watermoleculen sterker dan wanneer dat ijs niet aanwezig is. Waar dat verschil vandaan komt, is nog niet duidelijk.

bron: Max-Planck-Gesellschaft