Estructura de imagen de la superficie y prefusión del hielo Ih con resolución atómica

Área de la Ciencia:

• Ciencias de la superficie
• Física de la materia condensada
• Química Física

Sus antecedentes:

• Las superficies de hielo influyen en procesos físicos y químicos cruciales, incluidos el derretimiento, la fricción y las reacciones atmosféricas.
• A pesar de la extensa investigación, las estructuras atómicas precisas de las interfaces de hielo siguen siendo poco conocidas debido a la delicada red de enlaces de hidrógeno y los complejos fenómenos de pre-fusión.

Objetivo del estudio:

• Para obtener imágenes de resolución atómica de la superficie basal (0001) del hielo de agua hexagonal (hielo Ih).
• Para dilucidar la estructura atómica de las superficies de hielo y comprender los mecanismos moleculares detrás de la preterrefusión del hielo.

Principales métodos:

• Utilizó microscopía de fuerza atómica criogénica (AFM) basada en qPlus con una punta funcionalizada con monóxido de carbono para imágenes de alta resolución.
• Empleó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para investigar los mecanismos de reconstrucción y estabilización de la superficie.

Principales resultados:

• Las imágenes de resolución atómica revelaron que la superficie de hielo-Ih comprende nanodomaines mixtos de apilamiento de Ih y cúbicos (Ic) que forman superestructuras periódicas.
• Los cálculos de DFT indicaron que la reconstrucción de la superficie, estabilizada al minimizar la repulsión electrostática de los enlaces OH colgantes, es energéticamente favorable sobre la superficie de hielo ideal.
• Desorden superficial observado por encima de 120 Kelvin, lo que significa el inicio de la pre-fusión, que se inicia en los límites del dominio y está influenciado por las estructuras locales planas.

Conclusiones:

• El estudio proporciona información estructural definitiva a escala atómica para la superficie del hielo basal, resolviendo debates de larga data.
• Identificó los orígenes moleculares del pre-derretimiento del hielo, destacando el papel de los límites de dominio y las estructuras locales.
• Estos hallazgos pueden requerir un cambio de paradigma en la comprensión de la física y la química del hielo, con implicaciones para varios fenómenos dependientes de la superficie.