Water is overal om ons heen en toch begrijpen natuurkundigen de stof maar deels. De gladheid van bevroren water is bijvoorbeeld een mysterie. Het oppervlak van een vaste stof als ijs ziet er op microscopische schaal vaak uit als schuurpapier. De in elkaar hakende pieken en dalen verhinderen dat twee oppervlakken soepel over elkaar heen glijden. In principe zou een schaats dus stroefjes over een ijslaag moeten schuiven.

Gedweilde vloer

Maar ijs herbergt een smeermiddel: water. Dat kan er in vloeibare vorm voor zorgen dat de pieken en dalen minder in elkaar haken, waardoor het beter glijdt, zoals een nat wegdek of een gedweilde toiletvloer ook glad zijn.  

Dat zoiets speelt aan het oppervlak van ijs, was al bekend. Maar de precieze eigenschappen van dat oppervlak nog niet. Om die te doorgronden schoot Smit korte laserpulsen op ijs af om de trillingen van de moleculen aan het oppervlak te meten. De lokale structuur van de watermoleculen beïnvloedt de frequentie van die trillingen sterk, dus die trillingen geven een indicatie van de eigenschappen van het ijsoppervlak. Zo ontdekte Smit dat de bovenste molecuullagen van ijs sterk op water lijken.

Kristalstructuur

Smit heeft ook een theoretische verklaring voor de vloeibare toplaag. Moleculen middenin een ijsklont worden aan alle kanten omgeven door andere watermoleculen en daardoor op hun plaats gehouden. Maar voor de buitenste laag, die aan één kant in contact staat met lucht en niet met andere watermoleculen, is die kristalstructuur niet optimaal. Smit: ‘Die moleculen roeren zich om gunstigere verbindingen aan te gaan met de watermoleculen om zich heen, waardoor ze een waterlaag vormen.’

Hoe dik de vloeibare toplaag is, hangt af van de temperatuur van ijs en buitenlucht. Hoe dichter bij het smeltpunt, hoe meer moleculen worden aangestoken door de beweeglijkheid van de bovenste laag. Zelfs bij temperaturen verder onder nul, rond de -30 graden Celsius, bleek er een vloeibare bovenlaag aan het oppervlak van ijs.

Publicatiegegevens

Dhr. W.J. Smit: The Cool State of Water: Infrared Insights into Ice. Promotor is prof. dr. H.J. Bakker. Copromotor is prof. dr. M. Bonn.

Tijd en locatie

De promotie vindt plaats op donderdag 24 november, 14.00 uur
Locatie: Agnietenkapel, Oudezijds Voorburgwal 231, Amsterdam.