Dlaczego lód jest śliski? Naukowcy wyjaśniają tajemnicę

Przez ponad sto lat uczniowie na całym świecie słyszeli w szkole proste wytłumaczenie, które przytaczają w komunikacie eksperci z Saarland University: lód robi się śliski, bo nacisk buta albo tarcie powodują jego topnienie. Kiedy więc zimą wychodzimy na oblodzony chodnik i nagle tracimy równowagę, winą miał być cienki film wody, powstający pod wpływem naszego ciężaru. Problem w tym, że - jak pokazują najnowsze badania - to wyjaśnienie było błędne.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Kraju Saary (Niemcy) udowodnił, że to nie nacisk i tarcie odpowiadają za śliskość lodu, lecz coś znacznie bardziej subtelnego - oddziaływania dipoli molekularnych. - Okazuje się, że ani nacisk, ani tarcie nie odgrywają szczególnie istotnej roli w tworzeniu cienkiej warstwy cieczy na lodzie - wyjaśnia profesor Martin Müser, główny autor badań opublikowanych w Physical Review Letters.

Czym w ogóle jest dipol? Najprościej mówiąc, wyobraźcie sobie sytuację, gdy w cząsteczce występują częściowo dodatni i częściowo ujemny ładunek, ułożone w taki sposób, że cząsteczka zyskuje biegunowość. Woda, czyli H₂O, jest właśnie takim dipolem - atom tlenu "przyciąga" elektrony mocniej niż wodór, co daje efekt małego plusa i małego minusa. W temperaturach poniżej zera te dipole układają się w uporządkowaną sieć krystaliczną, tworząc sztywną i stabilną strukturę lodu.

Kiedy jednak wkraczamy na lód, nie chodzi o nacisk buta, ale o to, że materiały w podeszwie, mające własne dipole, zaczynają oddziaływać z dipolami w lodzie. Wtedy ta uporządkowana sieć traci równowagę, cząsteczki wierzchniej warstwy stają się chaotyczne, a kryształ zamienia się w stan amorficzny, czyli po prostu w cienką warstwę cieczy.

Żeby to jeszcze lepiej zrozumieć, warto wiedzieć, że fizycy opisują takie zjawisko terminem... "frustracja". - W trzech wymiarach te oddziaływania dipol-dipol stają się 'sfrustrowane' - mówi prof. Müser. Oznacza to, że siły wzajemnie się blokują i nie mogą osiągnąć idealnego uporządkowania. Efektem jest rozpad gładkiej sieci krystalicznej na powierzchni lodu i pojawienie się warstwy śliskiej niczym olej.

Nowe badania podważają nie tylko szkolne wyjaśnienia sprzed niemal dwóch wieków, zaproponowane jeszcze przez Jamesa Thompsona, brata lorda Kelvina. Obalają też inny mit, że przy bardzo niskich temperaturach (poniżej minus 40 stopni) narty nie mogą się ślizgać, bo cienka warstwa cieczy nie powstaje.

- Oddziaływania dipoli utrzymują się w ekstremalnie niskich temperaturach. Co niezwykłe, film ciekły nadal powstaje na granicy między lodem a nartą, nawet blisko zera absolutnego - tłumaczy główny autor badań. Owszem, w tak niskiej temperaturze ta warstwa miałaby konsystencję gęstszą niż miód i jazda na nartach byłaby praktycznie niemożliwa. Ale sam fakt jej istnienia jest dowodem, że lód ślizga się inaczej, niż sądzono od pokoleń.

Dla osoby, która zimą złamała rękę na oblodzonym chodniku, niewielkie znaczenie ma, czy winny był nacisk, tarcie czy dipole. Boli tak samo. Z punktu widzenia fizyki to jednak odkrycie fundamentalne. Pokazuje, że nawet codzienne zjawiska, tak zwyczajne jak poślizgnięcie się, kryją w sobie skomplikowaną grę sił molekularnych.

Źródło: Saarland University