Experimental and theoretical evidence for bilayer-by-bilayer surface melting of crystalline ice

Abstract

On the surface of water ice, a quasi-liquid layer (QLL) has been extensively reported at temperatures below its bulk melting point at 273 K. Approaching the bulk melting temperature from below, the thickness of the QLL is known to increase. To elucidate the precise temperature variation of the QLL, and its nature, we investigate the surface melting of hexagonal ice by combining noncontact, surface-specific vibrational sum frequency generation (SFG) spectroscopy and spectra calculated from molecular dynamics simulations. Using SFG, we probe the outermost water layers of distinct single crystalline ice faces at different temperatures. For the basal face, a stepwise, sudden weakening of the hydrogen-bonded structure of the outermost water layers occurs at 257 K. The spectral calculations from the molecular dynamics simulations reproduce the experimental findings; this allows us to interpret our experimental findings in terms of a stepwise change from one to two molten bilayers at the transition temperature.

Melting the ice one layer at a time

“…As such, the QLL has been widely investigated and at times controversially discussed (2, 3). In PNAS Sánchez et al (4) report a joint experimental and simulation study in which an interesting perspective on the early stages of QLL formation is proposed. A sharp change in the vibrational response of the ice-air interface at 257 K (−16 • C) is interpreted with the help of molecular dynamics simulations as the melting of a complete bilayer at the ice surface.…”

“…The study of Sánchez et al (4) does not provide insight into what happens above 257 K, so it is unclear whether melting continues in a bilayer-by-bilayer manner beyond the single step postulated at 257 K. However, much closer to the bulk melting temperature a complementary series of high-resolution optical interferometry measurements has provided insight (16,17).…”

Vergleichende Acetonadsorption an Wasser‐ und Eisoberflächen

“…Molekulare Informationen über die Eis/Luft- [13][14][15][16] und Wasser/Luft-Grenzflächen [17][18][19][20] wurden bereits mit SFG-Spektroskopie untersucht, wobei die Struktur und Schwingungsfrequenzen der äußersten Schicht von Molekülen an der Grenzfläche bestimmt wurden. Molekulare Informationen über die Eis/Luft- [13][14][15][16] und Wasser/Luft-Grenzflächen [17][18][19][20] wurden bereits mit SFG-Spektroskopie untersucht, wobei die Struktur und Schwingungsfrequenzen der äußersten Schicht von Molekülen an der Grenzfläche bestimmt wurden.…”

“…[15] Zu Beginn der Eismessungen wird die Probenzelle zunächst mit gekühltem Stickstoff (0 8 8C) mit einer Durchflussrate von 2Lh À1 für3 0min gespült. Die Messungen erfolgten bei 0 8 8Cu nd in einem Te floncontainer.Z ur Untersuchung der Interaktionen zwischen Aceton und der Eisoberfläche wurde eine Probenzelle entwickelt, in der wir den Durchfluss des Acetongases auf die Eisoberfläche kontrollieren kçnnen.…”

“…In der vorliegenden Zuschrift untersuchen wir die Adsorption von Aceton auf Oberflächen von Eis und Wasser mittels Summenfrequenzspektroskopie( SFG). Molekulare Informationen über die Eis/Luft- [13][14][15][16] und Wasser/Luft-Grenzflächen [17][18][19][20] wurden bereits mit SFG-Spektroskopie untersucht, wobei die Struktur und Schwingungsfrequenzen der äußersten Schicht von Molekülen an der Grenzfläche bestimmt wurden. In SFG-Experimenten wird mittels eines Infrarotlasers,d er sich in Resonanz mit molekularen Schwingungen befindet, die spezifische Anordnung von Molekülen an der Grenzfläche untersucht.…”