Nitko nije sasvim siguran zašto je led sklizak

Naslutili su da se molekule blizu površine ponašaju drugačije od onih duboko u ledu. Led je kristal, što znači da je svaka molekula vode zaključana u periodičnu rešetku. Međutim, na površini, molekule vode imaju manje susjeda s kojima se mogu vezati i stoga imaju veću slobodu kretanja nego u čvrstom ledu. U tom takozvanom prethodno otopljenom sloju molekule se lako istiskuju klizaljkom, skijama ili cipelama.

Danas se znanstvenici općenito slažu da prethodno otopljeni sloj postoji, barem blizu točke taljenja, ali se ne slažu oko njegove uloge u skliskosti leda.

Prije nekoliko godina, Luis MacDowellfizičar sa Sveučilišta Complutense u Madridu, i njegovi suradnici kandidirali su se niz simulacija utvrditi koja od tri hipoteze – tlak, trenje ili prethodno topljenje – najbolje objašnjava skliskost leda. “U računalnim simulacijama možete vidjeti kako se atomi kreću”, rekao je – nešto što nije izvedivo u stvarnim eksperimentima. “I zapravo možete pogledati susjede tih atoma” da biste vidjeli jesu li periodički razmaknuti, kao u krutom tijelu, ili neuređeni, kao u tekućini.

Primijetili su da je njihov simulirani blok leda doista bio obložen slojem nalik tekućini debljine samo nekoliko molekula, kao što predviđa teorija prije topljenja. Kada su simulirali klizanje teškog predmeta po površini leda, sloj se zadebljao, u skladu s teorijom pritiska. Konačno, istražili su zagrijavanje trenjem. Blizu točke topljenja leda, prethodno otopljeni sloj je već bio debeo, tako da zagrijavanje trenjem nije značajno utjecalo na njega. Na nižim temperaturama, međutim, klizni objekt proizvodio je toplinu koja je otopila led i podebljala sloj.

“Naša poruka je: Sve tri kontroverzne hipoteze djeluju istovremeno u jednom ili drugom stupnju”, rekao je MacDowell.

Hipoteza 4: Amorfizacija

Ili možda otapanje površine nije glavni uzrok skliskosti leda.

Nedavno je tim istraživača sa Sveučilišta Saarland u Njemačkoj identificirao argumente protiv sve tri prevladavajuće teorije. Prvo, da bi pritisak bio dovoljno visok da otopi površinu leda, površina kontakta između (recimo) skija i leda morala bi biti “nerazumno mala”, napisali su. Drugo, za skiju koja se kreće realnom brzinom, pokusi pokazuju da količina topline stvorena trenjem nije dovoljna da izazove taljenje. Treće, otkrili su da je na ekstremno niskim temperaturama led još uvijek sklizak iako nema prethodno otopljenog sloja. (Površinske molekule još uvijek imaju manjak susjeda, ali na niskim temperaturama nemaju dovoljno energije da prevladaju jake veze s čvrstim molekulama leda.) “Dakle, ili skliskost leda dolazi od kombinacije svih njih ili nekoliko njih, ili postoji nešto drugo što još ne znamo”, rekao je Achraf Atilaznanstvenik za materijale u timu.

Znanstvenici su potražili alternativna objašnjenja u istraživanju drugih tvari, poput dijamanata. Polirači dragog kamenja već dugo znaju iz iskustva da se neke strane dijamanta lakše poliraju ili su “mekše” od drugih. Godine 2011. druga njemačka istraživačka grupa objavio rad objašnjavajući ovaj fenomen. Napravili su računalne simulacije dva dijamanta koji klize jedan o drugi. Atomi na površini mehanički su izvučeni iz svojih veza, što im je omogućilo pomicanje, stvaranje novih veza i tako dalje. Ovo klizanje formiralo je bezstrukturni, “amorfni” sloj. Za razliku od kristalne prirode dijamanta, ovaj sloj je neuredan i ponaša se više kao tekućina nego kao krutina. Ovaj učinak amorfizacije ovisi o orijentaciji molekula na površini, tako da su neke strane kristala mekše od drugih.

Atila i njegovi kolege tvrde da se sličan mehanizam događa u ledu. Simulirali su klizanje ledenih površina jedna o drugu, održavajući temperaturu simuliranog sustava dovoljno niskom da se osigura izostanak topljenja. (Svaka skliskost stoga bi imala drugačije objašnjenje.) U početku su se površine međusobno privlačile, poput magneta. To je zato što su molekule vode dipoli, s nejednakim koncentracijama pozitivnog i negativnog naboja. Pozitivni kraj jedne molekule privlači negativni kraj druge. Privlačenje u ledu stvorilo je sitne zavare između kliznih površina. Dok su površine klizile jedna pokraj druge, zavari su se raspali i formirali su se novi, postupno mijenjajući strukturu leda.