Ze realiseerden zich dat moleculen dichtbij het oppervlak zich anders gedroegen dan moleculen diep in het ijs. IJs is een kristal, wat betekent dat elk watermolecuul opgesloten zit in een periodiek rooster. Aan het oppervlak hebben watermoleculen echter minder buren om zich mee te binden en hebben ze dus meer bewegingsvrijheid dan in vast ijs. In de zogenaamde voorsmeltlaag kunnen de moleculen gemakkelijk worden verplaatst door schaatsen, ski’s of schoenen.
Momenteel zijn wetenschappers het er over het algemeen over eens dat er een voorsmeltlaag bestaat, tenminste in de buurt van het smeltpunt, maar ze zijn het niet eens over de rol ervan bij het wegglijden van ijs.
Een paar jaar geleden, Luis MacDowelleen natuurkundige aan de Complutense Universiteit van Madrid, en zijn medewerkers liepen weg reeks simulaties om te bepalen welke hypothese – druk, wrijving of aanvankelijk smelten – de gladheid van het ijs het beste verklaart. “In computersimulaties kun je atomen zien bewegen”, zegt hij – iets wat in echte experimenten onmogelijk is. “En je kunt zelfs naar de buren van die atomen kijken” om te zien of de atomen periodiek van elkaar verwijderd zijn, zoals in een vaste stof, of onregelmatig, zoals in een vloeistof.
Ze merkten op dat hun gesimuleerde ijsblokken inderdaad bedekt waren met een vloeistofachtige laag van slechts een paar moleculen dik, zoals voorspeld door de vroege smelttheorie. 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 ijs is de voorsmeltlaag al dik, dus wrijvingsverhitting heeft geen significante impact. Bij lagere temperaturen genereren glijdende voorwerpen echter hitte die het ijs doet smelten en de lagen ervan dikker maakt.
“Onze boodschap is: deze drie controversiële hypothesen werken op een bepaald niveau tegelijkertijd”, aldus MacDowell.
Hypothese 4: Amorfisatie
Of misschien is het smelten van het oppervlak niet de hoofdoorzaak van glad ijs.
Onlangs heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Saarland in Duitsland argumenten tegen alle drie de bestaande theorieën geïdentificeerd. Ten eerste moet, om de druk hoog genoeg te laten zijn om het ijsoppervlak te laten smelten, het contactoppervlak tussen (laten we zeggen) de ski’s en het ijs “erg klein” zijn. zij schreven. Ten tweede tonen experimenten aan dat voor ski’s die met realistische snelheden bewegen, de hoeveelheid warmte die door wrijving wordt gegenereerd niet voldoende is om smelten te veroorzaken. Ten derde ontdekten ze dat het ijs bij zeer lage temperaturen nog steeds glad was, zelfs zonder een laagje smelt. (Oppervlaktemoleculen missen nog steeds aangrenzende moleculen, maar bij lage temperaturen hebben ze niet genoeg energie om de sterke bindingen met vaste ijsmoleculen te overwinnen.) “Het gladde ijs kan dus worden veroorzaakt door een combinatie van alle of een deel ervan, of er is iets anders dat we nog niet weten”, zei hij. Achraf Atilaeen materiaalwetenschapper in het team.
Wetenschappers zoeken naar alternatieve verklaringen in onderzoek naar andere stoffen, zoals diamanten. Edelsteenslijpers weten al lang uit ervaring dat sommige kanten van diamant gemakkelijker te polijsten zijn, of “zachter”, dan andere. In 2011 kwam er weer een Duitse onderzoeksgroep papieren publiceren verklaar dit fenomeen. Ze creëerden een computersimulatie van twee diamanten die langs elkaar heen glijden. Atomen aan het oppervlak worden mechanisch uit hun bindingen getrokken, waardoor ze kunnen bewegen, nieuwe bindingen kunnen vormen, enzovoort. Deze verschuiving vormt een structuurloze “amorfe” laag. In tegenstelling tot de kristallijne aard van diamant zijn deze lagen ongeordend en gedragen ze zich meer als een vloeistof dan als een vaste stof. Dit amorfisatie-effect hangt af van de oriëntatie van de moleculen op het oppervlak, zodat sommige zijden van het kristal zachter zijn dan andere.
Atila en zijn collega’s suggereren dat een soortgelijk mechanisme in ijs voorkomt. Ze simuleren ijsoppervlakken die tegen elkaar wrijven, waardoor de temperatuur van het gesimuleerde systeem laag genoeg blijft om te voorkomen dat het smelt. (Daarom heeft elk glad oppervlak een andere verklaring.) In eerste instantie trekken de oppervlakken elkaar aan, als magneten. Dit komt omdat watermoleculen dipool van aard zijn, met een ongelijke concentratie van positieve en negatieve ladingen. Het positieve uiteinde van het ene molecuul trekt het negatieve uiteinde van een ander molecuul aan. Door de aantrekkingskracht van ijs ontstaan er kleine lasjes tussen de glijvlakken. Terwijl de ijsoppervlakken tegen elkaar glijden, breken de lassen en vormen zich nieuwe lassen, waardoor de structuur van het ijs geleidelijk verandert.
