Dlaczego lód jest śliski?

Bez względu na to, czy suniemy spokojnie po lodowisku, czy też niefortunnie poślizgniemy się na chodniku, brak tarcia na powierzchni lodu potrafi nas zaskoczyć. Tajemnicą pozostaje jednak, dlaczego właściwie tak się dzieje.

„Tworzenie się lodu to bardzo złożony proces, którego przebieg nie jest do końca poznany”, wyjaśnia Ras, profesor fizyki materii miękkiej na fińskim Uniwersytecie Aalto. „Zarówno w skali mikroskopowej, jak i makroskopowej zachodzi wiele różnych zjawisk, a zbadanie każdego z nich wymaga specjalistycznego sprzętu”.

Znajomość właściwości lodu nie wystarczy – trzeba jeszcze wziąć pod uwagę wyjątkową zdolność wody do przemiany w stan stały, ciekły i gazowy. Woda ma też inną niespotykaną własność: w przeciwieństwie do większości cieczy rozszerza się podczas zamarzania, dzięki czemu woda w stanie stałym – jak w przypadku gór lodowych czy kostek lodu – może pływać w wodzie w stanie ciekłym.Aby dokładnie poznać mechanizmy powstawania lodu, musimy rozprawić się z kilkoma mitami. Większość z nas pamięta z lekcji fizyki, że woda zamarza w temperaturze topnienia wynoszącej zero stopni Celsjusza, tymczasem, jak twierdzi Ras, nie jest to do końca prawda.

„Można nalać czystej wody do plastikowej butelki, włożyć do zamrażarki, wyjąć kilka dni później i wylać, ponieważ woda może pozostać w stanie ciekłym w temperaturze nawet -35 °C, w tak zwanym stanie przechłodzonym”, wyjaśnia.

Wynika to z faktu, że aby powstać, lód potrzebuje ośrodków nukleacji – drobnych cząstek takich jak minerały, brud czy chropowata powierzchnia ścian zbiornika. „Każdy, kto pił piwo z pokala Duvel, wie, że na dnie kufla tworzą się bąbelki – podobne do tych, które unoszą się z kominów hydrotermalnych położonych głęboko pod powierzchnią morza. Dzieje się tak za sprawą nukleacji zachodzącej na chropowatej, grawerowanej powierzchni szkła”, mówi Ras.Kolejną kwestią, którą należy uwzględnić, jest to, że o śliskiej powierzchni możemy powiedzieć dopiero wtedy, gdy coś się z nią styka. Wydaje się, że zetknięcie to jest nie tyle skutkiem, co przyczyną śliskości.

Dopiero niedawno szczegółowo opisano mechanizm, który za to odpowiada: tarcie powstałe w wyniku kontaktu buta z kawałkiem lodu powoduje powstanie cienkiej, śliskiej warstwy wody międzyfazowej na wierzchu lodu. Jest ona bardziej lepka niż zwykła woda i ma grubość jednej setnej grubości ludzkiego włosa, a jej właściwości tarcia stanowią połączenie właściwości cieczy i ciała stałego.

Inne badanie wykazało, że cząsteczki wody na tej granicy faz są słabo związane w porównaniu z cząsteczkami lodu, a więc mogą się swobodnie poruszać – trochę jak w przypadku gazu. „Cząsteczki wody wydają się działać trochę jak łożyska kulkowe, pozwalając rzeczom przemieszczać się po powierzchni lodu łatwo – czasem zbyt łatwo”, mówi Ras.

Trzecim elementem kluczowym dla śliskości jest szybkość. Gdy obiekt porusza się po lodzie szybko, tarcie i ciśnienie międzyfazowe generują więcej ciepła, osłabiając wytwarzanie wody międzyfazowej. Bez której jazda na łyżwach wyglądałaby o wiele mniej... płynnie.Zjawisko śliskości lodu stało się dla Rasa inspiracją do realizacji wspartego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu SuperRepel.

Jego zespół opracował powłokę powierzchniową, która odpycha szereg różnych substancji, od kurzu po śnieg. „Po zabezpieczeniu naszą powłoką, obecnie najtrwalszym dostępnym środkiem hydrofobowym, można będzie łatwiej utrzymać suchość, czystość i sterylność powstałych powierzchni hydrofobowych”, dodaje Ras.

Opracowana przez zespół metodologia zdobyła nagrodę Anton Paar Research Award. Obecnie uczeni badają szereg innych możliwych zastosowań, od łopat turbin wiatrowych po narty i materiały opakowaniowe.

„Udało nam się tyle osiągnąć dzięki temu, że zainteresowaliśmy się zachowaniem kropelek wody. W ten sposób zdobyliśmy wiedzę, która pozwala nam teraz dokładniej przyjrzeć się zjawisku lodu oraz innym zjawiskom, takim jak mgła, co może przynieść korzyści wielu branżom, od lotniczej po motoryzacyjną”, zauważa Ras.

A co najważniejsze, pomoże chronić nas przed skutkami niskich temperatur. Miejmy nadzieję, że wraz z nadejściem mrozów naukowiec nie zapomni założyć łyżew.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o badaniach prowadzonych przez Robina Rasa: Tworzenie nowej generacji wyjątkowo śliskich powierzchni