Isens glathed forklares

Vintersport såsom skiløb, hurtigløb på skøjter, kunstskøjteløb, og curling kræver de glatte overflader af is og sne. Selv om det er glat, at isoverfladen er glat, det er langt fra helt forstået. I 1886 John Joly, en irsk fysiker, tilbød den første videnskabelige forklaring på lav friktion på is; når en genstand - dvs. en skøjte - rører isoverfladen, er det lokale kontakttryk så højt, at isen smelter og derved skaber et flydende vandlag, der smører glideren. Den nuværende konsensus er, at selvom flydende vand ved isoverfladen reducerer glidfriktion på is, dette flydende vand smelter ikke ved tryk, men ved friktionsvarme, der frembringes under glidning.

Et team af forskere ledet af brødrene prof. Daniel Bonn fra University of Amsterdam og prof. Mischa Bonn fra MPI-P, har nu vist, at friktion på is er mere kompleks end hidtil antaget. Gennem makroskopiske friktionsforsøg ved temperaturer fra 0 ° C til -100 ° C viser forskerne, at isoverfladen - overraskende - transformerer sig fra en ekstremt glat overflade ved typiske vintersportstemperaturer, til en overflade med høj friktion ved -100 ° C.

For at undersøge oprindelsen til denne temperaturafhængige glathed, forskerne udførte spektroskopiske målinger af vandmolekylers tilstand ved overfladen, og sammenlignede disse med molekylær dynamik (MD) simuleringer. Denne kombination af eksperiment og teori afslører, at der findes to typer vandmolekyler på isoverfladen:vandmolekyler, der sidder fast på den underliggende is (bundet af tre hydrogenbindinger) og mobile vandmolekyler, der kun er bundet af to hydrogenbindinger. Disse mobile vandmolekyler ruller kontinuerligt over isen - som små kugler - drevet af termiske vibrationer.

Når temperaturen stiger, de to arter af overflademolekyler interkonverteres:antallet af mobile vandmolekyler øges på bekostning af vandmolekyler, der er fikseret til isoverfladen. Bemærkelsesværdigt, denne temperaturdrevne ændring i mobiliteten af ​​de øverste vandmolekyler på isoverfladen matcher perfekt temperaturafhængigheden af ​​den målte friktionskraft:jo større mobilitet ved overfladen, jo lavere friktion og omvendt. Forskerne konkluderer derfor, at - i stedet for et tyndt lag flydende vand på isen - er den høje mobilitet af overfladevandsmolekylerne ansvarlig for isens glathed.

Selvom overflademobiliteten fortsat stiger helt op til 0 ° C, dette er ikke den ideelle temperatur til at glide på is. Forsøgene viser, at friktionen faktisk er minimal ved -7 ° C; den nøjagtige samme temperatur pålægges på skøjtebaner. Forskerne viser, at ved temperaturer mellem -7 ° C og 0 ° C, glidning er vanskeligere, fordi isen bliver blødere, får det glidende objekt til at grave dybere ned i isen.

Resultaterne offentliggøres i Journal of Physical Chemistry Letters .