این تصویر نشان می‌دهد که روی سطح یخ وقتی جسم دیگری مانند چوب اسکی، اسکیت روی یخ یا زیره‌های کفش در تماس با آن قرار می‌گیرد، چه اتفاقی می‌افتد: ساختار بلوری منظم قبلی مولکولهای آب ناگهان مختل می‌شود.

بیش از صد سال است که دانش آموزان سراسر جهان آموخته‌اند که یخ با اعمال فشار و اصطکاک ذوب می‌شود. وقتی شما روی یک پیاده‌رو یخ زده در زمستان قدم می‌گذارید، ممکن است به دلیل فشاری که وزن بدن شما از طریق زیره کفش (که هنوز گرم است) وارد می کند، لیز بخورید. اما مشخص شده است که این تفسیر دقیق نیست.

پژوهش جدید انجام شده در دانشگاه سارلند نشان می‌دهد که این فشار یا اصطکاک نیست که موجب می‌شود یخ لغزنده باشد، بلکه برهمکنش بین دوقطبی های مولکولی در یخ و دوقطبی ها روی سطح تماس مثل زیره کفش است که باعث این امر می‌شود.

این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است. این دیدگاه از پروفسور مارتین موسر Martin Muser و همکارانش آکراف آتیلا Achraf Atila و سرگئی سوخوملینوف Sergey Sukhomlinov، الگویی که حدود دو قرن پیش توسط برادر لرد کلوین، جیمز تامسون بنا شده بود و پیشنهاد می داد در کنار دما، فشار و اصطکاک در ذوب شدن یخ نقش دارند را دگرگون می‌کند.

موسر توضیح می‌دهد: "مشخص شده است که هیچ یک از فشار و اصطکاک نقش منحصرا قابل توجهی در تشکیل لایه مایع نازک روی یخ ندارند".

در عوض، شبیه سازی های رایانه ای توسط این گروه نشان می‌دهند که دوقطبی های مولکولی محرک های کلیدی پشت تشکیل این لایه لغزنده هستند که اغلب باعث می‌شوند ردپای ما در زمستان ناپدید شود. اما یک دوقطبی دقیقا چیست؟ یک دوقطبی مولکولی وقتی ایجاد می‌شود که مولکول، نواحی دارای بار جزئی مثبت و بار جزئی منفی داشته باشد که به آن یک قطبیت کلی با یک جهت گیری ویژه می‌دهد.

برای دست یافتن به درک بهتری از آنچه در حال رخ دادن است، دانستن ساختار یخ به ما کمک می‌کند. مولکولهای آب (H₂O) در دمای زیر صفر درجه سلسیوس خودشان را در یک شبکه بلوری بسیار منظم قرار می‌دهند که در آن مولکولها همگی به طور منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و یک ساختار بلوری جامد ایجاد می‌کنند.

وقتی کسی روی این ساختار منظم قدم می‌گذارد، این فشار یا اصطکاک ناشی از کفش نیست که لایه بالایی مولکولها را مختل می‌کند، بلکه جهت گیری دوقطبی های زیره کفشِ در حال برهمکنش با دوقطبی های موجود در یخ است که این امر را مختل می‌کند. ساختار منظم پیشین ناگهان بی نظم می‌شود.

موسر می‌گوید: "در سه بعد، این برهمکنشهای دوقطبی-دوقطبی ناکارآمد می‌شوند" که به مفهومی در فیزیک اشاره دارد که نیروهای رقابتی در آن از دستیابی یک سیستم به یک پیکربندی پایدار کاملا منظم ممانعت می‌کنند. در سطح میکروسکوپی، این نیروها بین دو قطبی ها در یخ و دو قطبی ها در ماده زیره کفش، ساختار بلوری منظم در سطح مشترک بین یخ و کفش را مختل می‌کنند که موجب می‌شود یخ بی نظم و آمورف شده و در نهایت به شکل مایع درآید.

پژوهش این گروه علاوه بر دگرگون کردن دانش پذیرفته شده با قدمت حدود 200 سال، یک تصور غلط دیگر را نیز نقض می‌کند.

پروفسور موسر توضیح می‌دهد: "تاکنون فرض میشد که اسکی کردن زیر دمای 40- درجه سلسیوس غیرممکن است زیرا هوا برای تشکیل یک لایه مایع روان کننده نازک زیر چوب اسکی ها خیلی سرد است که این هم معلوم شده نادرست است".

موسر می‌گوید: "برهمکنشهای دو قطبی در دماهای بسیار پایین دوام می‌آورند. نکته قابل توجه این است که یک لایه مایع هنوز در سطح مشترک بین یخ و چوب اسکی تشکیل می‌شود-حتی در دمای نزدیک به صفر مطلق.

با این حال، در چنین دماهای پایینی این لایه چسبناک تر از عسل است. به سختی می‌توانیم آن را به عنوان آب تشخیص دهیم و اسکی کردن روی آن عملا غیرممکن خواهد بود-اما با این حال این لایه وجود دارد.

برای کسی که از آسیب دیدگی خود به دلیل لیزخوردن و زمین افتادن در زمستان مراقبت می‌کند، فرقی ندارد که مقصر فشار باشد، اصطکاک یا دوقطبی ها. اما برای فیزیک، این تمایز بسیار مهم است. پیامدهای این کشف توسط گروه پژوهشی سارلند هنوز در حال آشکار شدن است و جامعه علمی به آن توجه نشان می‌دهد.

منبع:

Why we slip on ice: Physicists challenge centuries-old assumptions