5 Minute
De aproape două secole, manualele au explicat alunecozitatea gheții ca rezultat al topirii provocate de presiune sau frecare. Un nou studiu de la Universitatea Saarland, condus de profesorul Martin Müser împreună cu colegii Achraf Atila și Sergey Sukhomlinov, contestă această imagine îndelung acceptată. Simulările lor indică faptul că subțirele strat lubrifiant care se formează la interfața gheții apare în primul rând din interacțiunile dintre dipolii moleculari de la suprafața de contact — de exemplu, moleculele din talpa unei încălțări sau din baza unui schi — și nu din căldura generată de presiune sau frecare.
Lucrarea echipei revizuiește o idee propusă acum aproape 200 de ani de James Thomson (fratele lui Lord Kelvin), care susținea că presiunea, frecarea și temperatura sunt factorii principali ai topirii la suprafață. În schimb, cercetătorii constată că forțele electrostatice dipol-dipol perturbă rețeaua cristalină ordonată a gheții de la suprafață, generând dezordine și un film cu comportament lichid chiar și în condiții în care topirea tradițională nu ar trebui să aibă loc.
Fizica dipolilor și suprafața gheții
Ce este un dipol?
Un dipol molecular apare atunci când o moleculă are regiuni cu sarcină parțial pozitivă și parțial negativă, creând o polaritate direcțională. Moleculele de apă (H2O) sunt polare: sub 0 °C ele se aranjează într-o rețea cristalină foarte ordonată care definește gheața solidă. Când un alt material intră în contact cu acea rețea, orientarea dipolilor de la suprafața sa interacționează cu dipolii gheții.
Ilustrația arată ce se întâmplă la suprafața gheții atunci când un alt obiect, precum schiuri, patine sau talpa unei încălțări, intră în contact cu ea: structura cristalină anterior ordonată a moleculelor de apă este brusc perturbată. Credit: AG Mueser
Potrivit simulărilor de la Saarland, aceste interacțiuni dipol-dipol pot deveni „frustrate” în trei dimensiuni — un termen din fizică care descrie situațiile în care forțele orientaționale concurente împiedică sistemul să ajungă la o stare ordonată de energie minimă. La interfața gheață‑contact, această frustrare destabilizează aranjamentul cristalin, creând un strat amorf, dezordonat, care se comportă ca un lichid vâscos. Important, simulările arată că acest proces nu necesită încălzire semnificativă prin frecare sau topire indusă de presiune: interacțiunile electrostatice sunt, de la sine, suficiente pentru a genera filmul lubrifiant.
Constatări cheie, comportament la temperaturi scăzute și implicații
O implicație remarcabilă răstoarnă o altă presupunere comună: că un film lubrifiant nu se poate forma la temperaturi extrem de scăzute (de exemplu, mult sub −40 °C). Müser și colegii raportează că dezordinea indusă de dipoli persistă chiar și la temperaturi foarte joase. Deși filmul interfacial devine din ce în ce mai vâscos — apropiindu‑se de consistența mierii în condiții de frig extrem — stratul încă există. În practică, aceasta înseamnă că o anumită mobilitate interfacială este prezentă pe o gamă mai largă de temperaturi decât se credea anterior, deși consecințele mecanice (de exemplu, cât de ușor alunecă o persoană sau cât de bine alunecă schiurile) depind de vâscozitatea filmului.
Descoperirea are o relevanță largă pentru știința suprafețelor, tribologie (studiul frecării și lubrifierii), siguranța pe gheață și ingineria materialelor. Dacă orientarea dipolilor și chimia suprafeței controlează topirea interfacială, atunci proiectarea talpilor de încălțăminte, a bazelor de patine sau a materialelor pentru schiuri cu caracteristici dipolare specifice ar putea modifica riscul de alunecare sau performanța. În mod similar, acest mecanism ar putea ghida dezvoltarea de acoperiri antigel și tratamente cryogenice pentru suprafețe, unde controlul dezordinii interfaciale este esențial.
Perspective ale experților
Dr. Elena Park, cercetătoare în știința materialelor și comunicare științifică, Universitatea Cambridge: "Acest studiu reinterpretează un fenomen familiar coborând explicația cauzală la electrostatica moleculară. Deschide o cale practică: dacă alinierea dipolilor la interfață guvernează caracterul lichid, inginerii pot viza polaritatea suprafeței pentru a suprima sau promova formarea stratului subțire. Asta ar putea influența totul, de la încălțăminte mai sigură la echipament optimizat pentru sporturi de iarnă."
Cercetarea de la Saarland s‑a bazat pe simulări atomiste avansate pe calculator pentru a surprinde interacțiunile dipol-dipol la scale nanometrice — regimuri dificil de sondat experimental. Abordarea computațională a echipei oferă predicții testabile: de exemplu, schimbarea polarității sau a orientării dipolilor unui material de contact ar trebui să modifice în mod predictibil grosimea și vâscozitatea filmului interfacial.
Concluzie
Credința îndelungată că doar presiunea și frecarea fac gheața alunecoasă este incompletă. Simulările Universității Saarland demonstrează că interacțiunile dintre dipoli la scară moleculară pot destabiliza suprafața gheții, producând un film lubrifiant chiar și la temperaturi foarte scăzute. Această schimbare de perspectivă are consecințe științifice și practice: reconfigurează explicațiile din manuale, sugerează teste experimentale noi în criofizică și tribologie și indică direcții pentru proiectarea suprafețelor care controlează alunecarea prin ajustarea comportamentului dipolar, în loc să se bazeze doar pe factori termici sau mecanici. Pe măsură ce experimentatorii și specialiștii în materiale continuă investigațiile, descoperirea promite să rafineze înțelegerea fizicii suprafețelor reci și să ghideze noi abordări pentru siguranță și performanță pe gheață.
Sursa: scitechdaily
Comentarii