Verwendung eines gekühlten Mikroskops und Frostschutzmittels zur direkten Beobachtung der Eis-Flüssigkeits-Grenzfläche

Eis ist in der Natur die meiste Zeit von Flüssigkeit umgeben. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie Eis und Flüssigkeit interagieren. Eine Studie der Universität Kobe und des Institute for Molecular Science hat nun erstmals die genaue Form von Eis an der Schnittstelle zwischen Eis und Flüssigkeit direkt beobachtet – mithilfe von Frostschutzmitteln und einem gekühlten Mikroskop.

Wenn wir auf Eis ausrutschen, wenn sich Schneeflocken bilden oder wenn wir Eiscreme lecken, ist die Oberfläche des Eises immer mit flüssigem Wasser bedeckt. Um das gesamte Phänomen zu verstehen, ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen dem flüssigen Wasser und dem Eis zu verstehen. Da sich Eis und Wasser jedoch schnell ineinander verwandeln, war es bisher unmöglich, die Grenzfläche zwischen beiden direkt zu beobachten.

Um besser zu verstehen, wie Eis mit der umgebenden Flüssigkeit interagiert, entschieden sich Forscher unter der Leitung von Onishi Hiroshi von der Universität Kobe, die nächstbeste Methode auszuprobieren.

Er sagt: „Wir kamen auf die Idee, Eis zu messen, das in Frostschutzmittel getaucht ist, das kälter als 0 °C ist. Auf diese Weise schmilzt das Eis nicht und die Schnittstelle bewegt sich nicht, und es sollte möglich sein, genaue Beobachtungen durchzuführen.“ Trotzdem hatten die Forscher Schwierigkeiten, gute Messungen des Eises zu erhalten.

„Durch verschiedene Versuche und Irrtümer fanden wir heraus, dass wir das gesamte Mikroskopsystem in einer Kühlbox kühlen mussten, und es erforderte einiges an Einfallsreichtum, um sicherzustellen, dass das Rasterkraftmikroskop, ein Präzisionsmessgerät, bei Temperaturen unter Null stabil arbeiten konnte“, erklärt der Forscher der Universität Kobe.

In Das Journal der chemischen PhysikDie Gruppe hat ihre Ergebnisse veröffentlicht. Sie fanden heraus, dass Eis ohne umgebende Flüssigkeit sogenannte „Frostsäulen“ von etwa 20 Nanometern Höhe aufweist, während das Eis in Frostschutzmitteln vollkommen flach ist und nur vereinzelte Stufen aufweist, die nur eine Molekülschicht hoch sind.

„Wir glauben, dass die flache Oberfläche durch … teilweise Auflösung und Rekristallisation der Eisoberfläche in der 1-Octanol-Flüssigkeit (dem Frostschutzmittel) entsteht“, schreiben die Forscher in dem Artikel.

Onishi und sein Team probierten auch verschiedene Flüssigkeiten aus, allesamt Alkohole wie 1-Octanol. Und obwohl alle Flüssigkeiten, die sie ausprobierten, ähnliche Eigenschaften hatten, beobachteten sie, dass die Eisoberfläche in jedem Fall anders aussah, was die Bedeutung der direkten Messung der Grenzfläche unterstreicht. Darüber hinaus untersuchten sie die „Härte“ der Eisoberfläche unter 1-Octanol und fanden heraus, dass das Eis viel härter ist als zuvor mit weniger direkten Methoden geschätzt.

Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse zu weiteren Studien der Eis-Flüssigkeits-Grenzfläche anregen, haben sich aber auch klare Ziele für ihre eigene zukünftige Arbeit gesetzt: „Wir erwarten, die Auflösung des Mikroskops auf einzelne Wassermoleküle zu erhöhen und andere Messmethoden als die Rasterkraftmikroskopie einzusetzen. Auf diese Weise hoffen wir, die Bandbreite möglicher Anwendungen von Messungen der Eis-Frostschutzmittel-Grenzfläche auf molekularer Ebene zu erweitern.“