Het onderzoek werd uitgevoerd door promovendus Menno Demmenie en zijn collega’s van het Institute of Physics en het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences aan de Universiteit van Amsterdam. De resultaten van de onderzoekers werden de afgelopen week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Applied.

IJspegelmachine

Om het onderzoek uit te kunnen voeren, bouwden Demmenie en zijn collega’s een heuse ijspegelmachine. ‘In een grote ijskast met raam zijn we een paar weken lang bezig geweest om onszelf ware ijspegelgroei-experts te maken’, vertelt Demmenie. ‘Het lastigste daarbij was de vraag hoe snel je water moet toevoeren om een goede ijspegel te maken. Als het water te snel stroomt, verlies je relatief veel water en creëer je een ijsvloer onderin de vrieskast. Wanner je daarentegen de instroom te langzaam afstelt, krijgt de ijspegel een voorkeur om als een stalagmiet omhoog te groeien. De optimale groeisnelheid, zo hebben we uiteindelijk ontdekt, ontstaat bij een toestroom van zestig milliliter per uur, bij een temperatuur van -15 °C. Je kunt dat vergelijken met een kraan die ongeveer iedere drie seconden druppelt.’

Toen de juiste stroomsnelheid eenmaal gevonden was, konden de onderzoekers aan de slag. Ze maakten verschillende ijspegels in hun machine, onder verschillende omstandigheden en met verschillende soorten water. Uiteindelijk bleek de cruciale factor voor de vorming van ijspegel-ribbels de concentratie van zout in het gebruikte water. In de onderstaande afbeelding zijn ijspegels te zien met verschillende zoutconcentratie, van ijspegels uit extreem zuiver water (links) tot ijspegels uit sterk gezouten water (rechts). Naarmate de concentratie zout toenam, werden de ribbels op de ijspegels steeds duidelijker zichtbaar.

De rol van het zout in het vormingsproces van de ijspegels onderzochten de onderzoekers met behulp van een slimme truc. Wanneer het water van de ijspegels bevriest, worden de zoutmoleculen als ‘onzuiverheden’ uit het ijs naar buiten geduwd; het zout bevindt zich dus vooral in een dun laagje vloeibaar water aan de buitenkant van de ijspegels. De wetenschappers voegden aan het gebruikte water een kleurstof toe, waarmee precies hetzelfde gebeurt als met de zoutmoleculen, en konden zo heel mooi in beeld brengen waar het vloeibare water met zout zich bevond.

Ribbels verklaard

Op die manier bleek dat juist het stromen van het water de ribbels veroorzaakte. Bij zuiver water was er nauwelijks sprake van een laagje vloeibaar zout water rond de ijspegel, en was het vormingsproces meer te vergelijken met een druppelende kaars. Bij zouter water was de ijspegel omgeven door een dunne film van vloeibaar, zout water, en zorgde de stroming daarin voor de gelijkmatige ribbels. Hoe meer zout het water bevatte, hoe sterker dat proces, en hoe dikker de uiteindelijk gevormde ribbels waren.

Ook water in de natuur bevat een kleine concentratie zout. Vandaar dus de mooie structuren die we ’s ochtends aan onze dakgoten en autobumpers aantreffen – geribbeld door een dun laagje licht gezouten water dat ’s nachts zijn werk heeft gedaan.

Publicatie

The Growth and Form of Rippled Icicles. Menno Demmenie, Sander Woutersen, Lars Reus, Paul Kolpakov, Daniel Bonn en Noushine Shahidzadeh. Phys. Rev. Applied 19 (2023) 024005.