Ze realiseerden zich dat moleculen dichtbij het oppervlak zich anders gedragen dan die diep in het ijs. IJs is een kristal, wat betekent dat elk watermolecuul in een periodiek rooster is opgesloten. Aan het oppervlak hebben watermoleculen echter minder buren om zich mee te binden en hebben daarom meer bewegingsvrijheid dan in vast ijs. In de zogenaamde voorgesmolten laag kunnen de moleculen gemakkelijk verplaatst worden door een schaats, ski of schoen.
Tegenwoordig zijn wetenschappers het er over het algemeen over eens dat de voorgesmolten laag bestaat, tenminste in de buurt van het smeltpunt, maar ze zijn het niet eens over de rol ervan in de gladheid van ijs.
Een paar jaar geleden, Luis MacDowellnatuurkundige van de Complutense Universiteit van Madrid, en zijn medewerkers liepen een reeks simulaties vaststellen welke van de drie hypothesen – druk, wrijving of voorsmelten – de gladheid van ijs het beste verklaart. “In computersimulaties kun je de atomen zien bewegen”, zei hij, iets dat in echte experimenten niet haalbaar is. “En je kunt daadwerkelijk naar de buren van die atomen kijken” om te zien of ze periodiek uit elkaar liggen, zoals in een vaste stof, of ongeordend, zoals in een vloeistof.
Ze merkten op dat het gesimuleerde blok ijs inderdaad bedekt was met een vloeistoflaag van slechts een paar moleculen dik, zoals de voorsmelttheorie voorspelt. Toen ze een zwaar voorwerp simuleerden dat over het ijsoppervlak gleed, werd de laag dikker, in overeenstemming met de druktheorie. Ten slotte onderzochten ze wrijvingsverwarming. Dichtbij het smeltpunt van het ijs was de voorgesmolten laag al dik, dus wrijvingsverhitting had geen significante impact. Bij lagere temperaturen produceerde het glijdende object echter hitte waardoor het ijs smolt en de laag dikker werd.
“Onze boodschap is: alle drie de controversiële hypothesen werken op de een of andere manier tegelijkertijd”, aldus MacDowell.
Hypothese 4: Amorfisatie
Of misschien is het smelten van het oppervlak niet de hoofdoorzaak van de gladheid van het ijs.
Onlangs heeft een team onderzoekers van de Saarland Universiteit in Duitsland argumenten tegen alle drie de heersende theorieën geïdentificeerd. Ten eerste zou, om de druk hoog genoeg te laten zijn om het ijsoppervlak te laten smelten, het contactoppervlak tussen (bijvoorbeeld) de ski’s en het ijs “onredelijk klein” moeten zijn. zij schreven. Ten tweede tonen experimenten aan dat voor een ski die met een realistische snelheid beweegt, de hoeveelheid warmte die door wrijving wordt gegenereerd niet voldoende is om hem te laten smelten. Ten derde ontdekten ze dat ijs bij extreem lage temperaturen nog steeds glad is, zelfs als er geen voorgesmolten laag is. (Oppervlaktemoleculen hebben nog steeds een tekort aan buren, maar bij lage temperaturen hebben ze niet genoeg energie om de sterke bindingen met vaste ijsmoleculen te overwinnen.) “Dus de gladheid van ijs komt door een combinatie van al deze moleculen of door een aantal ervan, of er is iets anders dat we nog niet weten”, zei hij. Achraf Atilaeen materiaalwetenschapper in het team.
Wetenschappers hebben gezocht naar alternatieve verklaringen in onderzoek naar andere stoffen, zoals diamanten. Edelsteenslijpers weten al lang uit ervaring dat sommige kanten van een diamant gemakkelijker te polijsten zijn, of ‘zachter’, dan andere. In 2011 kwam er weer een Duitse onderzoeksgroep een artikel gepubliceerd verklaar dit fenomeen. Ze maakten computersimulaties van twee diamanten die tegen elkaar aan gleden. Atomen aan het oppervlak werden mechanisch ontdaan van hun bindingen, waardoor ze konden bewegen, nieuwe bindingen konden vormen, enzovoort. Door dit glijden is een structuurloze, ‘amorfe’ laag ontstaan. In tegenstelling tot de kristallijne aard van diamant is deze laag ongeordend en gedraagt deze zich meer als een vloeistof dan als een vaste stof. Dit amorfisatie-effect hangt af van de oriëntatie van de moleculen op het oppervlak, dus sommige zijden van een kristal zijn zachter dan andere.
Atila en zijn collega’s beweren dat een soortgelijk mechanisme in ijs voorkomt. Ze simuleerden het tegen elkaar glijden van ijsoppervlakken, waardoor de temperatuur van het gesimuleerde systeem laag genoeg bleef om te voorkomen dat het zou smelten. (Elke gladheid zou dan een andere verklaring hebben.) Aanvankelijk trokken oppervlakken elkaar aan, net als magneten. Dit komt omdat watermoleculen dipolen zijn, met ongelijke concentraties positieve en negatieve lading. Het positieve uiteinde van het ene molecuul trekt het negatieve uiteinde van een ander molecuul aan. Door de aantrekkingskracht van het ijs ontstonden er kleine lasjes tussen de glijvlakken. Terwijl de oppervlakken over elkaar gleden, braken de lasnaden en vormden zich nieuwe, waardoor de structuur van het ijs geleidelijk veranderde.
