Nová studie založená na molekulárním modelování ukazuje, že led se stává kluzkým nikoli kvůli teplu nebo tlaku, ale kvůli procesu strukturální destrukce způsobené posunem.
Když někdo uklouzne na zledovatělém chodníku, obvykle nepřemýšlí o tom, proč je led tak nebezpečný. Snaží se udržet rovnováhu, nadává a zrychluje krok. Je zajímavé, že i po staletích vědeckého výzkumu je vysvětlení klouzání, které nás učili ve škole, stále aktuální: led taje pod tlakem nebo pod vlivem tepla uvolňovaného při tlaku a tato tenká vrstva vody nás nutí klouzat . Je to opravdu vysvětlení?
Není to tak zřejmé. Tato stará teorie je nyní vyvrácena. Nová studie fyzika Martina Müzera, publikovaná v časopise Physical Review Letters, ukazuje, že ani tlak, ani tření nejsou skutečnými viníky nebezpečí ledu . Ve skutečnosti je příčina našeho klouzání spojena s elektrickou interakcí mezi molekulami . Toto elegantní vysvětlení založené na molekulárním modelování mění naše chápání chování ledu při kontaktu.
Stará paradigma je konečně svržena
Po téměř dvě století převládala teorie, že tření při chůzi nebo váha těla při dopadu na led generuje dostatek tepla, aby roztavila velmi tenkou povrchovou vrstvu. Tato voda působila jako přírodní mazivo, snižovala tření a usnadňovala klouzání. Tuto hypotézu podporovaly takové významné osobnosti, jako James Thompson, bratr lorda Kelvina .
Nová studie vědců z Saarlandské univerzity však ukázala, že toto vysvětlení je vědecky neopodstatněné . Pomocí modelování na molekulární úrovni tým zjistil, že led může být kluzký bez nutnosti zahřívání nebo extrémního tlaku , což zpochybňuje samotnou podstatu klasické teorie.
Podle článku „se povrchy ledu zkapalňují bez termodynamického tání, a to hlavně díky amorfizaci způsobené posunem“. To znamená, že struktura ledu se při kontaktu s jiným materiálem, například s podrážkou boty, lokálně rozpadá kvůli interakci elektrických nábojů obou povrchů.
Dipoly, nepořádek a povrchy, které se deformují bez tání
Abychom pochopili tento jev, je důležité pochopit, co je to molekulární dipól . Jedná se o molekulu s nerovnoměrným rozložením náboje, to znamená, že jeden konec je mírně kladný a druhý mírně záporný. V zamrzlé vodě jsou molekulární dipóly uspořádány v krystalické mřížce stabilním způsobem.
Když se jiný materiál, například bota nebo lyže, dotkne tohoto povrchu, dipóly ledu a objektu interagují . To způsobuje narušení řádu, které vede k dezorganizaci molekul a jejich přechodu do amorfního stavu. Nejedná se o pevný led, ale ani o tekutou vodu v tradičním smyslu. Jedná se o přechodný stav, který se chová jako velmi tenká mazací vrstva .
Tým to vysvětluje takto: „Nejtenčí možná, neměřitelná hranice led-led vytváří lokálně spojené studené skvrny, kde boční posun spouští amorfizaci bez zahřívání nebo vysokého normálního tlaku“. Tato amorfizace, tj. ztráta krystalického řádu, probíhá bez dosažení bodu tání ledu .
Co je to amorfizace?
Amorfizace je proces, při kterém látka ztrácí svou uspořádanou krystalickou strukturu a přechází do neuspořádaného stavu, známého jako amorfní. V případě ledu to znamená, že molekuly vody přestávají být uspořádány jako v krystalu a místo toho se stávají chaotickými, bez určité struktury. Tato přeměna neznamená, že led se rozpouští ve vodě, ale spíše to, že nabývá přechodné formy, která působí jako mazací vrstva na povrchu.
Mýtus, že při teplotě -40 °C nelze lyžovat
Jedním z nejvíce zakořeněných přesvědčení, a to i mezi profesionálními lyžaři, je, že lyžování není možné při teplotě nižší než -40 °C, protože se nevytvoří vodní film nezbytný pro klouzání. Tato práce ukazuje, že i to je mylné. Ačkoli se za těchto extrémních podmínek tekutý film stává viskóznějším – „hustším než med“, jak jej popisují autoři ve své informační poznámce – stále existuje .
Je důležité poznamenat, že tato tenká vrstva nevzniká v důsledku tání, ale v důsledku strukturálního nepořádku způsobeného pohybem . I při teplotách blízkých absolutní nule zůstávají dipólové interakce aktivní a mazací vrstva se přesto vytvoří.
Tento objev mění naše představy o klouzání ledu v extrémních podmínkách. Nejde o to, kolik vody se při zahřátí vytvoří, ale o to, jak se částice ledu přeskupují pod vlivem i těch nejmenších sil.
Role materiálu v kontaktu: ne vše klouže stejně
Dalším důležitým závěrem studie je, že typ materiálu, který je v kontaktu s ledem, má významný vliv na úroveň tření . Modelování ukázalo, že hydrofobní povrchy, které odpuzují vodu, vytvářejí menší tření než hydrofilní.
To je způsobeno tím, že struktura amorfní vody se méně mění při kontaktu s materiály, které ji nepřitahují . Výsledkem je, že mazací vrstva zůstává déle stabilní, což přispívá k účinnějšímu klouzání. Podle autorů „aby měl led velmi nízký koeficient tření, musí být kromě mezifázové vody kontaktní povrchy hladké a hydrofobní“.
Tento objev lze přímo aplikovat při vývoji pneumatik, protiskluzové obuvi a sportovního vybavení. Pokud bude možné tření kontrolovat pomocí materiálu, může to být možné díky vývoji technologií, které výrazně sníží riziko pádů nebo zvýší sportovní výsledky .
Není to teplo, je to pohyb.
Jedním z nejparadoxnějších aspektů této práce je možná to, že led se stává kluzčím s klesající teplotou . Například při -10 °C má amorfní led vyšší viskozitu než při nižších teplotách. To však neznamená zvýšení tření. Ve skutečnosti je rychlost amorfizace – procesu, který vytváří tuto kluzkou vrstvu – tím vyšší, čím je led chladnější .
To je v rozporu s rozšířeným názorem, že k roztavení ledu a usnadnění klouzání je nutné teplo. Ve studii bylo porovnáno chování ledu při -10 °C a 10 K (přibližně -263 °C) a byl učiněn závěr, že „chladnější krystaly ledu amorfizují rychleji“.
Vysvětlení tohoto jevu lze najít v molekulární mechanice. Při těchto teplotách jsou molekuly tak tuhé, že při působení síly nestihnou se přeskupit a jednoduše se rozpadnou , čímž vytvoří vrstvu, která umožňuje klouzání.
Tichá revoluce s velmi specifickými aplikacemi
Ačkoli se tento objev může jevit jako teoretický, má přímý význam pro mnoho oblastí každodenního života a technologií . Od navrhování pneumatik pro zledovatělé silnice po výrobu lyží a vývoj antifrikčních materiálů – pochopení skutečného mechanismu klouzání po ledu nám umožňuje přijímat rozhodnutí založená na skutečných fyzikálních zákonech, nikoli na předpokladech, které mají svůj původ v 19. století .
To také vyžaduje přehodnocení přístupu k výuce fyziky ledu na základní škole. Nové údaje naznačují, že tento jev není způsoben pouze teplem nebo tlakem, ale také strukturálními a elektrickými efekty na mikroskopické úrovni , které lze modelovat pomocí moderních modelovacích nástrojů.
V konečném důsledku tento pokrok demonstruje hodnotu základního výzkumu. To, co začalo zvědavostí ohledně kluzkosti ledu, nakonec změnilo naše chápání každodenního jevu. A stalo se tak díky neviditelnému, ale mocnému nástroji: počítačovému modelování na atomární úrovni .
