Print deze pagina 14 mei 2004 2004/08

Kristallen op ijs

Water is een simpele maar wonderlijke stof, ook in zijn vaste vorm: ijs. Waterijs kan bij lage temperaturen de vorm van een soort sterk onderkoelde vloeistof hebben (het ijs wordt dan amorf genoemd), terwijl in gewoon ijs de watermoleculen zich netjes ordenen (dan heet het ijs kristallijn). Onderzoekers van de Universiteit Leiden en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuufysica (AMOLF) in Amsterdam hebben laten zien dat bij de overgang van amorf naar kristallijn ijs éérst het oppervlak kristallijn wordt: er vormen zich kristallen op ijs. De precieze structuur van het oppervlak van bevroren water is van groot belang voor de chemie die op deze oppervlakken voorkomt. Dat is aan de orde bij de afbraak van ozon in de aardse stratosfeer en de vorming van nieuwe moleculen in de ruimte tussen de sterren. De nieuwe resultaten laten zien dat tijdens de kristallisatie de structuur van het oppervlak kan veranderen voordat de rest van het ijs verandert. De onderzoekers publiceren hun resultaten in het vaktijdschrift Physical Review Letters van 11 juni 2004.

Wolken in de interstellaire ruimte en in de stratosfeer bestaan voornamelijk uit ijsdeeltjes. Aan het oppervlak van deze deeltjes vinden chemische reacties plaats. In de interstellaire ruimte worden uit kleine moleculen grotere moleculen gevormd, waaruit mogelijk leven kan zijn ontstaan. In de stratosfeer wordt ozon afgebroken op het ijsoppervlak. In beide gevallen bepaalt de morfologie van het ijsoppervlak de reactiviteit. Het ijs in de interstellaire ruimte bevindt zich (zie figuur 1) gedeeltelijk in de amorfe fase (een wanordelijke, soort onderkoelde vloeistof) en gedeeltelijk in de kristallijne vorm (een sterk geordend netwerk van watermoleculen). De amorfe fase ontstaat als watermoleculen onder zeer koude omstandigheden (bijvoorbeeld in de ruimte) aan elkaar vastvriezen; de waterdeeltjes kunnen zich dan niet netjes ordenen. Deze amorfe fase is metastabiel: 'vastgevroren' in een energetisch niet gunstige toestand, die bijvoorbeeld door temperatuurswisselingen vanzelf kan overgaan in de stabielere kristallijne fase. Om de reacties in de interstellaire ruimte aan het oppervlak van de waterdeeltjes te begrijpen is het van belang te weten of het oppervlak bij voorkeur amorf is, of juist kristallijn. Die vraag kan beantwoord worden door te kijken waar de faseovergang van amorf water naar kristallijn ijs begint: aan het oppervlak of binnen in het ijs (in de zogeheten bulk).

Om de rol van het oppervlak in de faseovergang te bestuderen, hebben de Leidse onderzoekers (Ellen Backus, Mihail Grecea, Aart Kleyn (tegenwoordig FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen) en Mischa Bonn - tevens AMOLF) eerst hele dunne waterlagen (50 watermoleculen dik) gemaakt bij -180 graden Celsius op een inert platina substraat. Deze lagen zijn amorf. Vervolgens wordt de amorfe laag opgewarmd tot -130 graden Celsius en daar gehouden. Bij deze temperatuur verloopt het kristallisatieproces in ongeveer tien minuten: langzaam genoeg om het verloop van het kristallisatieproces in detail te kunnen volgen.

Er zijn in principe drie plaatsen waar de kristallisatie kan beginnen: aan het vrije oppervlak van de waterlaag, in de bulk of in de grenslaag met het platina substraat. In het experiment wordt de kristallisatie gevolgd door de fractie kristallijn ijs aan het oppervlak, in de bulk en in de grenslaag simultaan en 'real-time' te detecteren.

Figuur 2 laat de fracties kristallijn ijs aan het oppervlak, in de bulk en in de grenslaag zien als functie van de tijd. Uit deze figuur is onmiddellijk af te lezen dat de oppervlaktefractie altijd voorloopt op de bulk, die op zijn beurt weer voorloopt op de fractie kristallijn ijs in de grenslaag. Uit het experiment kunnen de onderzoekers direct concluderen dat de waterlaag start met kristalliseren aan het oppervlak. De gegevens kunnen ze uitstekend reproduceren met een model waarin de kristallisatie aan het oppervlak begint (dat model produceert de lijnen in de figuur).

Meer informatie bij drs. Ellen Backus, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 44 52 of dr. Mischa Bonn, Universiteit Leiden en FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, telefoon 06 14 47 68 96.