Datoranimation visar hur is smälter
Att is smälter vid upphettning vet vi alla, men nu har forskare vid Uppsala universitet för första gången lyckats göra en datorsimulering av hur det i detalj går till på molekylär nivå. Resultaten presenteras i det senaste numret av tidskriften Angewandte Chemie.
Med hjälp av datorsimuleringar har forskarna vid institutionen för cell- och molekylärbiologi lyckats animera hur strukturen i is bryts ner av upphettning med en kort laserpuls.
I artikeln beskriver de hur energin från laserpulsen först absorberas i vattenmolekylernas bindningar, vilket får dessa att oscillera. Efter ett par pikosekunder (10-12 s) har den vibrationsenergin övergått till rotations- och translationsenergi, vilket leder till att iskristallen börjar smälta, även om små fickor av is finns kvar under en kortade tid därefter.
Hexagonal is är den på jorden vanligaste förekommande typen av is. I denna typ av is är syreatomerna organiserade i ett tetraediskt gitter, där varje vattenmolekyl binder till de intilliggande med så kallade vätebindningar. I hexagonal is är antalet vätebindningar per molekyl två, medan det i flytande vatten finns ca 1,75 vätebindningar per vattenmolekyl.
Forskarna Carl Caleman och David van der Spoel har lyckats simulera smältning av is med hjälp av s k molekyldynamiksimuleringar. Molekyldynamik är ett kraftfullt verktyg för att nå bättre förståelse av processer såsom smältning och frysning, eftersom det gör det möjligt att följa strukturförändringarna i systemet med atomär upplösning och med en tidsupplösning på mindre än en femtosekund (10-15s).
Simuleringarna visar att energin från laserpulsen först får syre-väte bindningen i vattenmolekylerna att vibrera. Strax därefter når denna vibrationsenergi sitt maximum. Efter ungefär en pikosekund har det mesta av vibrationsenergin övergått till rotationsenergi. Detta medför att de strukturerade vätebindningarna i isen bryts. Efter ytterligare tre till sex pikosekunder har rotationen övergått till en s k translationsrörelse. Molekylerna är nu fria att röra sig, och den kristallina strukturen har fullständigt kollapsat.
Denna smältprocess startar lokalt på slumpmässiga platser i isen. När isstrukturen väl har brutits på ett visst ställe ökar sannolikheten för smältning drastiskt i just detta område. Smältningen sprider sig då från denna punkt i kristallen, men på andra ställen i systemet kan den kristallina strukturen finnas kvar tiotals pikosekunder.
— Nya strålkällor kommer inom en snar framtid att göra det möjligt att studera struktur och dynamik vid fasövergångar med mycket bättre tidsupplösning än tidigare. Beräkningar som dessa är vägledande inför sådana experiment, säger David van der Spoel.
En animerad film av smältningen kan ses på: http://folding.bmc.uu.se/
Kontaktinformation
För mer information, kontakta David van der Spoel på, tel: 018-471 42 05, 070-425 01 95, David.VanderSpoel@icm.uu.se
