Niemand weet precies waarom ijs glad is

Ze hadden intuïtief dat moleculen dichtbij het oppervlak zich anders gedragen dan die diep in het ijs. IJs is een kristal, wat betekent dat elk watermolecuul in een periodiek rooster is opgesloten. Aan het oppervlak hebben de watermoleculen echter minder buren om zich mee te binden en hebben daarom meer bewegingsvrijheid dan in vast ijs. In die zogenaamde voorgesmolten laag kunnen moleculen gemakkelijk worden verplaatst door een schaats, een ski of een schoen.

Tegenwoordig zijn wetenschappers het er over het algemeen over eens dat de voorgesmolten laag bestaat, tenminste dichtbij het smeltpunt, maar ze zijn het niet eens over de rol ervan in de gladheid van het ijs.

Een paar jaar geleden, Luis MacDowelleen natuurkundige aan de Complutense Universiteit van Madrid, en zijn medewerkers liepen een reeks simulaties om vast te stellen welke van de drie hypothesen – druk, wrijving of voorsmelten – de gladheid van ijs het beste verklaart. “In computersimulaties kun je de atomen zien bewegen,” zei hij – iets wat in echte experimenten niet haalbaar is. ‘En je kunt zelfs naar de buren van die atomen kijken’ om te zien of ze periodiek op afstand van elkaar staan, zoals in een vaste stof, of ongeordend, zoals in een vloeistof.

Ze ontdekten dat hun gesimuleerde ijsblok inderdaad bedekt was met een vloeistofachtige laag van slechts een paar moleculen dik, zoals de voorsmelttheorie voorspelt. Toen ze een zwaar voorwerp simuleerden dat over het ijsoppervlak gleed, werd de laag dikker, in overeenstemming met de druktheorie. Ten slotte onderzochten ze wrijvingsverwarming. Dichtbij het smeltpunt van het ijs was de voorgesmolten laag al dik, dus wrijvingsverhitting had daar geen noemenswaardige invloed op. Bij lagere temperaturen produceerde het glijdende object echter hitte waardoor het ijs smolt en de laag dikker werd.

“Onze boodschap is: alle drie de controversiële hypothesen werken in de ene of de andere mate gelijktijdig”, aldus MacDowell.

Hypothese 4: Amorfisatie

Of misschien is het smelten van het oppervlak niet de hoofdoorzaak van de gladheid van het ijs.

Onlangs heeft een team onderzoekers van de Saarland Universiteit in Duitsland argumenten tegen alle drie de heersende theorieën geïdentificeerd. Ten eerste, om de druk hoog genoeg te laten zijn om het ijsoppervlak te laten smelten, zou het contactgebied tussen (laten we zeggen) ski’s en ijs ‘onredelijk klein’ moeten zijn. zij schreven. Ten tweede laten experimenten zien dat voor een ski die met een realistische snelheid beweegt, de hoeveelheid warmte die door wrijving wordt gegenereerd onvoldoende is om smelten te veroorzaken. Ten derde ontdekten ze dat ijs bij extreem koude temperaturen nog steeds glad is, ook al is er geen voorgesmolten laag. (Oppervlakmoleculen hebben nog steeds een tekort aan buren, maar bij lage temperaturen hebben ze niet genoeg energie om de sterke bindingen met vaste ijsmoleculen te overwinnen.) “Dus de gladheid van ijs komt door een combinatie van al deze moleculen of door een paar ervan, of er is iets anders dat we nog niet weten,” zei Achraf Atilaeen materiaalwetenschapper in het team.

De wetenschappers zochten naar alternatieve verklaringen in onderzoek naar andere stoffen, zoals diamanten. Edelsteenslijpers weten al lang uit ervaring dat sommige kanten van een diamant gemakkelijker te polijsten zijn, of ‘zachter’, dan andere. In 2011 kwam er weer een Duitse onderzoeksgroep publiceerde een paper dit fenomeen verklaren. Ze maakten computersimulaties van twee diamanten die tegen elkaar aan gleden. Atomen aan het oppervlak werden mechanisch uit hun bindingen getrokken, waardoor ze konden bewegen, nieuwe bindingen konden vormen, enzovoort. Dit glijden vormde een structuurloze, “amorfe” laag. In tegenstelling tot het kristalkarakter van diamant is deze laag ongeordend en gedraagt ​​deze zich meer als een vloeistof dan als een vaste stof. Dit amorfisatie-effect hangt af van de oriëntatie van moleculen aan het oppervlak, dus sommige zijden van een kristal zijn zachter dan andere.

Atila en zijn collega’s beweren dat een soortgelijk mechanisme in ijs plaatsvindt. Ze simuleerden ijsoppervlakken die tegen elkaar aan gleden, waardoor de temperatuur van het gesimuleerde systeem laag genoeg bleef om te garanderen dat er geen smelting plaatsvond. (Elke gladheid zou daarom een ​​andere verklaring hebben.) Aanvankelijk trokken de oppervlakken elkaar aan, net als magneten. Dit kwam doordat watermoleculen dipolen zijn, met ongelijke concentraties positieve en negatieve lading. Het positieve uiteinde van het ene molecuul trekt het negatieve uiteinde van een ander molecuul aan. Door de aantrekkingskracht in het ijs ontstonden er kleine lasjes tussen de glijoppervlakken. Terwijl de oppervlakken langs elkaar gleden, braken de lasnaden uit elkaar en vormden zich nieuwe, waardoor de structuur van het ijs geleidelijk veranderde.