Gli scienziati spiegano perché la "semina" delle nuvole con ioduro d'argento è così efficiente / Scientists explain why ‘seeding’ clouds with silver iodide is so efficient

 Gli scienziati spiegano perché la "semina" delle nuvole con ioduro d'argento è così efficiente / Scientists explain why ‘seeding’ clouds with silver iodide is so efficient

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Lavorare al buio Poiché lo ioduro d'argento è fotosensibile, gli scienziati hanno condotto i loro esperimenti in gran parte al buio, utilizzando solo una debole luce rossa. / Working in the dark Because silver iodide is photosensitive, the scientists performed their experiments largely in the dark, with only dim red lighting used. 

I cristalli di ioduro d'argento sono stati a lungo utilizzati per "seminare" le nuvole ed innescare le precipitazioni, ma gli scienziati non sono mai stati del tutto certi del perché il materiale funzioni così bene a tale scopo. I ricercatori della TU Wien in Austria sono ora un passo più vicini alla soluzione del mistero grazie ad un nuovo studio che ha caratterizzato le superfici del materiale con dettagli su scala atomica.

"Lo ioduro d'argento è stato utilizzato nei programmi di modifica del clima atmosferico in tutto il mondo per diversi decenni", spiega Jan Balajka dell'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien , che ha guidato questa ricerca. "In effetti, è stato scelto per questo scopo già negli anni '40 per la sua struttura cristallina atomica, che è quasi identica a quella del ghiaccio: ha la stessa simmetria esagonale e distanze tra gli atomi molto simili nella sua struttura reticolare."

L'idea di base, continua Balajka, ha avuto origine dallo scienziato atmosferico americano del XX secolo Bernard Vonnegut, che nel 1947 suggerì che l'introduzione di piccoli cristalli di ioduro d'argento (AgI) in una nube avrebbe potuto fornire nuclei su cui far crescere il ghiaccio. Ma sebbene la proposta di Vonnegut abbia funzionato (e abbia contribuito ad ispirare il romanzo " La culla del gatto " di suo fratello Kurt ), questa semplice immagine non è del tutto accurata. L'ostacolo è che la nucleazione avviene sulla superficie di un cristallo, non al suo interno, e la struttura atomica di una superficie di AgI differisce significativamente da quella del suo interno.

Un compito che la scienza delle superfici ha risolto

Per approfondire l'indagine, Balajka e colleghi hanno utilizzato la microscopia a forza atomica (AFM) ad alta risoluzione e simulazioni computerizzate avanzate per studiare la struttura atomica di cristalli di AgI di 2-3 nm di diametro quando vengono spezzati in due parti. Le misurazioni del gruppo hanno rivelato che le superfici di entrambe le strutture appena scisse differivano da quelle presenti all'interno del cristallo.

Più specificamente, Johanna Hütner, membro del gruppo che ha condotto gli esperimenti, spiega che quando un cristallo di AgI viene scisso, gli atomi d'argento finiscono da un lato mentre gli atomi di iodio compaiono dall'altro. Questo ha implicazioni per la crescita del ghiaccio, perché mentre il lato d'argento mantiene una disposizione esagonale che fornisce un modello ideale per la crescita degli strati di ghiaccio, il lato dello iodio si ricostruisce in uno schema rettangolare che non corrisponde più alla simmetria esagonale dei cristalli di ghiaccio. Il lato dello iodio è quindi incompatibile con la crescita epitassiale del ghiaccio esagonale.

"I nostri lavori risolvono questa controversia decennale sulla struttura superficiale rispetto a quella massiva dell'AgI e dimostrano che la compatibilità strutturale è importante", afferma Balajka.

Esperimenti difficili

Secondo Balajka, gli esperimenti del gruppo sono stati tutt'altro che facili. Molti metodi sperimentali per studiare la struttura e le proprietà delle superfici dei materiali si basano su interazioni con particelle cariche come elettroni o ioni, ma AgI è un isolante elettrico, il che "esclude la maggior parte degli strumenti disponibili", spiega. L'utilizzo dell'AFM ha permesso loro di superare questo problema, aggiunge, perché questa tecnica rileva le forze interatomiche tra una punta affilata e la superficie e non richiede un campione conduttivo.

Un altro problema è che l'AgI è fotosensibile e si decompone se esposto alla luce visibile. Sebbene questa proprietà sia utile in altri contesti – l'AgI era un ingrediente comune nelle prime lastre fotografiche – ha creato complicazioni per il gruppo della TU Wien. "Le configurazioni AFM convenzionali utilizzano il rilevamento laser ottico per mappare la topografia di un campione", osserva Balajka.

Per evitare di distruggere il campione durante lo studio, i ricercatori hanno dovuto utilizzare un microscopio a forza atomica (AFM) senza contatto basato su un sensore piezoelettrico che rileva segnali elettrici e non richiede lettura ottica. Hanno inoltre adattato la loro configurazione per operare in condizioni di quasi oscurità, utilizzando solo luce rossa durante la manipolazione dell'Ag per garantire che la luce parassita non degradasse i campioni.

La parte di modellazione computazionale del lavoro ha introdotto un ulteriore ostacolo da superare. "Sia Ag che I sono atomi con un elevato numero di elettroni nei loro gusci elettronici e sono quindi altamente polarizzabili", spiega Balajka. "L'interazione tra questi atomi non può essere descritta accuratamente dai metodi di modellazione computazionale standard come la teoria del funzionale della densità (DFT), quindi abbiamo dovuto utilizzare calcoli di approssimazione di fase casuale (RPA) ad alta precisione per ottenere risultati affidabili".

Condizioni altamente controllate

I ricercatori riconoscono che il loro studio, descritto in dettaglio su Science Advances, è stato condotto in condizioni altamente controllate – vuoto ultra-alto, bassa pressione e temperatura ed un ambiente buio – molto diverse da quelle che prevalgono all'interno delle nuvole reali. "Il prossimo passo logico per noi è quindi confermare se i nostri risultati siano validi in condizioni più rappresentative", afferma Balajka. "Vorremmo scoprire se la struttura delle superfici di AgI è la stessa in aria e acqua ed, in caso contrario, perché".

I ricercatori vorrebbero anche comprendere meglio la disposizione atomica della ricostruzione rettangolare della superficie dello iodio. "Questo completerebbe il quadro dell'uso dell'AgI nella nucleazione del ghiaccio, così come la nostra comprensione dell'AgI come materiale nel suo complesso", afferma Balajka.

ENGLISH

Silver iodide crystals have long been used to “seed” clouds and trigger precipitation, but scientists have never been entirely sure why the material works so well for that purpose. Researchers at TU Wien in Austria are now a step closer to solving the mystery thanks to a new study that characterized surfaces of the material in atomic-scale detail.

“Silver iodide has been used in atmospheric weather modification programs around the world for several decades,” explains Jan Balajka from TU Wien’s Institute of Applied Physics, who led this research. “In fact, it was chosen for this purpose as far back as the 1940s because of its atomic crystal structure, which is nearly identical to that of ice – it has the same hexagonal symmetry and very similar distances between atoms in its lattice structure.”

The basic idea, Balajka continues, originated with the 20th-century American atmospheric scientist Bernard Vonnegut, who suggested in 1947 that introducing small silver iodide (AgI) crystals into a cloud could provide nuclei for ice to grow on. But while Vonnegut’s proposal worked (and helped to inspire his brother Kurt’s novel Cat’s Cradle), this simple picture is not entirely accurate. The stumbling block is that nucleation occurs at the surface of a crystal, not inside it, and the atomic structure of an AgI surface differs significantly from its interior.

A task that surface science has solved

To investigate further, Balajka and colleagues used high-resolution atomic force microscopy (AFM) and advanced computer simulations to study the atomic structure of 2‒3 nm diameter AgI crystals when they are broken into two pieces. The team’s measurements revealed that the surfaces of both freshly cleaved structures differed from those found inside the crystal.

More specifically, team member Johanna Hütner, who performed the experiments, explains that when an AgI crystal is cleaved, the silver atoms end up on one side while the iodine atoms appear on the other. This has implications for ice growth, because while the silver side maintains a hexagonal arrangement that provides an ideal template for the growth of ice layers, the iodine side reconstructs into a rectangular pattern that no longer lattice-matches the hexagonal symmetry of ice crystals. The iodine side is therefore incompatible with the epitaxial growth of hexagonal ice.

“Our works solves this decades-long controversy of the surface vs bulk structure of AgI, and shows that structural compatibility does matter,” Balajka says.

Difficult experiments

According to Balajka, the team’s experiments were far from easy. Many experimental methods for studying the structure and properties of material surfaces are based on interactions with charged particles such as electrons or ions, but AgI is an electrical insulator, which “excludes most of the tools available,” he explains. Using AFM enabled them to overcome this problem, he adds, because this technique detects interatomic forces between a sharp tip and the surface and does not require a conductive sample.

Another problem is that AgI is photosensitive and decomposes when exposed to visible light. While this property is useful in other contexts – AgI was a common ingredient in early photographic plates – it created complications for the TU Wien team. “Conventional AFM setups make use of optical laser detection to map the topography of a sample,” Balajka notes.

To avoid destroying their sample while studying it, the researchers therefore had to use a non-contact AFM based on a piezoelectric sensor that detects electrical signals and does not require optical readout. They also adapted their setup to operate in near-darkness, using only red light while manipulating the Ag to ensure that stray light did not degrade the samples.

The computational modelling part of the work introduced yet another hurdle to overcome. “Both Ag and I are atoms with a high number of electrons in their electron shells and are thus highly polarizable,” Balajka explains. “The interaction between such atoms cannot be accurately described by standard computational modelling methods such as density functional theory (DFT), so we had to employ highly accurate random-phase approximation (RPA) calculations to obtain reliable results.”

Highly controlled conditions

The researchers acknowledge that their study, which is detailed in Science Advances, was conducted under highly controlled conditions – ultrahigh vacuum, low pressure and temperature and a dark environment – that are very different from those that prevail inside real clouds. “The next logical step for us is therefore to confirm whether our findings hold under more representative conditions,” Balajka says. “We would like to find out whether the structure of AgI surfaces is the same in air and water, and if not, why.”

The researchers would also like to better understand the atomic arrangement of the rectangular reconstruction of the iodine surface. “This would complete the picture for the use of AgI in ice nucleation, as well as our understanding of AgI as a material overall,” Balajka says.

Da:

https://physicsworld.com/a/scientists-explain-why-seeding-clouds-with-silver-iodide-is-so-efficient/