Nawet w temperaturach znacznie poniżej zera, powierzchnia lodu nie jest jednolita. Często pokrywa go warstwa kwazipłynnych atomów o grubości kilku nanometrów. Proces jej powstawania znany jest jako wstępne topnienie (lub topnienie powierzchniowe) i to właśnie on odpowiada za tworzenie się płatków śniegu.
Powstawanie i narastanie lodu to dynamiczny proces, który może zachodzić, gdy jest zasilany zamarzającą wodą albo dzięki zamarzaniu pary wodnej występującej w powietrzu. Efekt obu dróg zamarzania jest bardzo podobny, ponieważ na granicy między lodem a powietrzem zawsze znajduje się mikroskopijna warstewka wody, nazywana warstwą wstępnego topienia.Dr David Sibley z Loughborough University
Ale topnienie wstępne można zaobserwować także w innych materiałach o strukturze krystalicznej, np. diamentach, kwarcu czy soli kuchennej. Teraz okazuje się, że zjawisko to zachodzi również w strukturach wysoce nieuporządkowanych, takich jak szkło.
Wstępne topnienie także w szkle
Makroskopowo szkło i lód mogą być podobne, ale w skali atomowej różnią się diametralnie. Podczas gdy lód ma uporządkowaną sieć krystaliczną, szkło to tzw. amorficzne ciało stałe. We wnętrzu atomy są ułożone w podobny sposób jak w cieczy, co znacznie utrudnia dostrzeżenie warstwy wstępnego topnienia na powierzchni szkła. Możliwe jest to dzięki eksperymentom rozpraszania neutronów lub promieniowania rentgenowskiego, ale i te nie zawsze są skuteczne.
Fizycy z niemieckiego Uniwersytetu w Konstancji stworzyli coś, co nazywa się szkłem koloidalnym – zawiesinę mikroskopijnych szklanych kul zanurzonych w cieczy, która zachowuje się jak atomy w szkle atomowym. Ponieważ są one 10 000 razy większe od atomów, zachowanie kul można obserwować bezpośrednio pod mikroskopem.
Czytaj też: Jak lód zamienia się w wodę? Zjawisko zostało zaprezentowane z nietypowej perspektywy
Naukowcy namierzyli oznaki wstępnego topnienia w szkle koloidalnym – cząstki na powierzchni poruszały się szybciej niż cząstki w zbitej masie pod nią. Było to zgodne z przewidywaniami, gdyż gęstość szkła objętościowego jest większa niż gęstość na powierzchni, co oznacza, że cząstki z warstwy topnienia wstępnego mają po prostu więcej miejsca. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Przeprowadzone eksperymenty oferują lepsze zrozumienie zachowania szkła, które jest materiałem wielce przydatnym, ale jednocześnie problematycznym. Duża ruchliwość powierzchniowa mogłaby wyjaśnić, dlaczego cienkie polimerowe i metaliczne szklane warstwy mają wysoką przewodność jonową w porównaniu z grubymi – wykorzystujemy tę właściwość w bateriach, gdzie warstwy te działają jako przewodniki jonowe.