Nowe badania oparte na symulacjach molekularnych pokazują, że lód jest śliski nie z powodu ciepła lub ciśnienia, ale z powodu procesu zaburzenia strukturalnego wywołanego przemieszczeniem.
Kiedy ktoś poślizguje się na oblodzonym chodniku, zazwyczaj nie zastanawia się, dlaczego lód jest tak zdradliwy. Szuka równowagi, rzuca przekleństwa na ziemię i przyspiesza kroku. Ciekawe jest to, że nawet po wiekach badań naukowych wyjaśnienie, którego nauczono nas w szkole na temat poślizgnięcia się, wciąż się powtarza: lód topi się pod wpływem nacisku lub ciepła wytworzonego podczas naciskania na niego, a ta cienka warstwa wody sprawia, że się ślizgamy. Czy to naprawdę jest wyjaśnienie?
Nie jest to takie oczywiste. Ta stara teoria została właśnie obalona. Nowe badanie przeprowadzone przez fizyka Martina Müsera i opublikowane w Physical Review Letters wykazuje, że ani nacisk, ani tarcie nie są prawdziwymi winowajcami niebezpieczeństwa związanego z lodem. Zamiast tego, to, co powoduje, że się ślizgamy, ma związek z interakcją elektryczną między cząsteczkami. Jest to eleganckie wyjaśnienie oparte na symulacjach molekularnych, które rewolucjonizuje dotychczasową wiedzę na temat zachowania lodu w kontakcie.
Stary paradygmat w końcu zostaje obalony
Przez prawie dwa stulecia dominująca teoria głosiła, że tarcie podczas chodzenia lub ciężar ciała podczas stąpania po lodzie generowały wystarczającą ilość ciepła, aby stopić bardzo cienką warstwę powierzchniową. Woda ta działała jak naturalny środek smarny, zmniejszając tarcie i ułatwiając ślizganie się. Hipoteza ta była popierana przez znane osobistości, takie jak James Thompson, brat lorda Kelvina.
Jednak nowe badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu w Saarze wykazały, że wyjaśnienie to jest naukowo nieuzasadnione. Wykorzystując symulacje na poziomie molekularnym, zespół odkrył, że lód może stać się śliski bez konieczności stosowania ciepła lub ekstremalnego ciśnienia, podważając tym samym sedno klasycznej teorii.
Według artykułu „powierzchnie lodu ulegają upłynnieniu bez termodynamicznego topnienia, ale głównie poprzez amorfizację wywołaną przemieszczeniem”. Oznacza to, że struktura lodu ulega lokalnemu zaburzeniu w momencie kontaktu z innym materiałem, takim jak podeszwa buta, z powodu interakcji między ładunkami elektrycznymi obu powierzchni.
Dipole, nieuporządkowanie i powierzchnie, które odkształcają się bez topnienia
Aby zrozumieć to zjawisko, należy wiedzieć, czym jest dipol molekularny. Jest to cząsteczka o nierównomiernym rozkładzie ładunku, tzn. jeden koniec jest lekko dodatni, a drugi lekko ujemny. W przypadku zamarzniętej wody dipole cząsteczek są ułożone w stabilny sposób w sieci krystalicznej.
Kiedy inny materiał, taki jak but lub narta, styka się z tą powierzchnią, dipole lodu i przedmiotu wchodzą w interakcję. Powoduje to zaburzenie porządku, co prowadzi do dezorganizacji cząsteczek i przejścia do stanu amorficznego. Nie jest to lód stały, ale nie jest to też woda w stanie ciekłym w konwencjonalnym rozumieniu. Jest to stan pośredni, który zachowuje się jak ultracienka warstwa smarująca.
Zespół wyjaśnia to w następujący sposób: „Najdelikatniejsza możliwa, niezmierzalna granica między lodem a lodem tworzy lokalnie zespawane zimne miejsca, gdzie przemieszczenie boczne wyzwala amorficzność bez ciepła i dużych ciśnień normalnych”. Ta amorficyzacja – czyli utrata uporządkowania krystalicznego – następuje bez konieczności osiągnięcia przez lód temperatury topnienia.
Czym jest amorficyzacja?
Amorficyzacja to proces, w którym materiał traci uporządkowaną strukturę krystaliczną i przechodzi w nieuporządkowaną formę, znaną jako stan amorficzny. W przypadku lodu oznacza to, że cząsteczki wody przestają być ułożone w regularny sposób, jak w krysztale, i przechodzą w stan chaotyczny, bez określonego wzoru. Przemiana ta nie oznacza, że lód topi się w wodzie, ale przyjmuje formę pośrednią, która działa jak warstwa smarująca na powierzchni.
Mit, że nie można jeździć na nartach w temperaturze -40 °C
Jednym z najbardziej zakorzenionych przekonań, nawet wśród profesjonalnych narciarzy, jest to, że poniżej -40 °C nie można jeździć na nartach, ponieważ nie tworzy się warstwa wody niezbędna do ślizgania się. Niniejsza praca pokazuje, że jest to również nieprawda. Chociaż w tych ekstremalnych warunkach warstwa cieczy jest bardziej lepka – „gęstsza niż miód”, jak opisują to autorzy w swojej notatce informacyjnej – nadal istnieje.
Istotne jest to, że ta cienka warstwa nie powstaje w wyniku topnienia, ale w wyniku nieporządku strukturalnego wywołanego ruchem. Nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu oddziaływania dipolowe pozostają aktywne i warstwa smarująca powstaje mimo wszystko.
Odkrycie to zmienia podejście do zrozumienia ślizgania się po lodzie w ekstremalnych warunkach. Nie chodzi o to, ile wody powstaje podczas ogrzewania, ale o to, jak cząsteczki lodu reorganizują się pod wpływem siły, nawet najmniejszej.
Rola materiału w kontakcie: nie wszystko ślizga się tak samo
Innym ważnym odkryciem badania jest to, że rodzaj materiału, który styka się z lodem, ma znaczący wpływ na poziom tarcia. Symulacje wykazały, że powierzchnie hydrofobowe — czyli takie, które odpychają wodę — generują mniejsze tarcie niż powierzchnie hydrofilowe.
Dzieje się tak, ponieważ struktura amorficznej wody ulega mniejszym zmianom w kontakcie z materiałami, które jej nie przyciągają. W rezultacie warstwa smarująca pozostaje stabilna przez dłuższy czas, co sprzyja bardziej wydajnemu ślizganiu się. Jak twierdzą autorzy: „Oprócz wody międzyfazowej, elementy stykające się muszą być gładkie i hydrofobowe, aby lód miał bardzo niskie współczynniki tarcia”.
Odkrycie to ma bezpośrednie zastosowanie w projektowaniu opon, obuwia antypoślizgowego i sprzętu sportowego. Jeśli można manipulować tarciem za pomocą materiału, możliwe jest opracowanie technologii, które znacznie zmniejszą ryzyko upadków lub zwiększą wydajność w sporcie.
To nie ciepło, to przemieszczanie się
Być może jednym z najbardziej sprzecznych z intuicją aspektów tej pracy jest to, że lód staje się bardziej śliski, im jest zimniejszy. Na przykład w temperaturze -10 °C amorficzny lód ma większą lepkość niż w niższych temperaturach. Nie oznacza to jednak, że występuje większe tarcie. W rzeczywistości szybkość amorficyzacji — procesu, który powoduje powstawanie tej śliskiej warstwy — jest większa, gdy lód jest zimniejszy.
Jest to sprzeczne z powszechną opinią, że do stopienia lodu i ułatwienia ślizgania się potrzebne jest ciepło. W badaniu porównano zachowanie lodu w temperaturze -10°C i 10 K (około -263°C) i stwierdzono, że „zimniejsze kryształy lodu szybciej ulegają amorfizacji”.
Wyjaśnienie tego zjawiska można znaleźć w mechanice molekularnej. W tych temperaturach cząsteczki są tak sztywne, że po przyłożeniu siły nie mają czasu na reorganizację i po prostu ulegają zaburzeniu, tworząc warstwę, która umożliwia ślizganie się.
Cicha rewolucja o bardzo konkretnych zastosowaniach
Chociaż odkrycie to może wydawać się teoretyczne, ma bezpośredni wpływ na wiele dziedzin życia codziennego i technologii. Od projektowania opon do jazdy po oblodzonych drogach, przez produkcję nart, po opracowywanie materiałów przeciwdziałających tarciu – zrozumienie prawdziwego mechanizmu ślizgania się po lodzie pozwala podejmować decyzje oparte na rzeczywistej fizyce, a nie na założeniach pochodzących z XIX wieku.
Skłania to również do ponownego przeanalizowania sposobu nauczania fizyki lodu na podstawowych poziomach edukacji. Nowe dowody wskazują, że zjawisko to nie zależy głównie od ciepła lub ciśnienia, ale od efektów strukturalnych i elektrycznych na poziomie mikroskopowym, które można modelować za pomocą nowoczesnych narzędzi symulacyjnych.
Wreszcie, postęp ten pokazuje wartość nauki podstawowej. To, co zaczęło się jako ciekawość dotycząca tego, dlaczego lód jest śliski, zakończyło się zmianą naszego rozumienia codziennego zjawiska. A stało się to dzięki niewidzialnemu, ale potężnemu narzędziu: symulacji komputerowej na poziomie atomowym.
