_ Punctul de blocare: De ce fizicienii încă se luptă să înțeleagă capacitatea gheții de a adera și de a deveni alunecos

Fie sub formă de îngheț sau de un cub de gheață neted și transparent, gheața aderă spontan și chiar destul de puternic la multe suprafețe solide. Cu toate acestea, după cum poate mărturisi orice persoană neglijentă care a derapat pe un trotuar de iarnă, gheața poate fi, de asemenea, foarte alunecoasă. De fapt, gheața poate fi atât lipicioasă, cât și alunecoasă.

Această versatilitate ia nedumerit de mult pe oamenii de știință. Pentru început, ei au încercat să descopere secretul din spatele aluneciunii gheții de mai bine de 150 de ani. Printre ei s-au numărat și fizicieni celebri precum Lord Kelvin și Michael Faraday. Acesta din urmă, mai cunoscut pentru munca sa în electromagnetism, a fost primul care a avut în vedere prezența unui strat subțire de apă lichidă care acoperă gheața, chiar și cu mult sub 0°C. La acea vreme, el a motivat că contactul unui obiect solid cu stratul de suprafață l-a determinat să acționeze ca un lubrifiant, reducând foarte mult frecarea pe gheață. Existența acestui strat de lichid a fost confirmată de experimente cu peste un secol mai târziu.

Pentru a răspunde la întrebarea „De ce este gheața alunecoasă?” mai întâi trebuie să înțelegem cum a luat ființă acest strat subțire de apă lichidă pe suprafața înghețată.

Deoarece apa este mai densă în faza sa lichidă decât în ​​starea de gheață, s-a crezut mult timp că topirea suprafața de gheață a fost legată de presiunea excesivă - de exemplu, din cauza greutății patinatorului pe suprafața mică de sub patinele sale. Comprimând gheața în continuare, patinătorul ar face ca aceasta să se topească, făcând-o lichidă și alunecoasă.

Alții cred că căldura este eliberată prin frecare pe măsură ce obiectul se mișcă peste gheață, determinând topirea suprafeței. La fel ca atunci când îți freci mâinile pentru a le încălzi, atunci când freci un solid de altul, ele se încălzesc.

Cu toate acestea, aceste două mecanisme nu explică de ce gheața rămâne alunecoasă sub -20°C. La astfel de temperaturi, ar fi nevoie de o presiune considerabilă – de aproximativ 500 de ori mai mare decât cea exercitată de o patină de gheață – pentru a o face să se topească.

În anii 1960, la mai bine de un secol după Faraday, J.W. Telford și J.S. Turner a tras încet un fir prin gheața „rece” (sub -20°C) pentru a dezvălui că a rămas alunecos până la -35°C, moment în care căldura eliberată prin frecare nu a mai fost suficientă pentru a topi gheața.

Abia după un secol de la intuiția lui Faraday, am putut demonstra acest strat lichid indirect, măsurând proprietățile suprafeței gheții și nu volumul - în acest caz proprietățile sale de absorbție a vaporilor de hidrocarburi, care sunt destul de comparabile. la cele ale apei lichide!

Tehnicile care implică împrăștierea protonilor sau a razelor X, utilizate de obicei pentru studierea structurii cristalelor, au făcut posibilă estimarea grosimii între una și câteva sute de nanometri. Unele studii au sugerat chiar că această grosime diverge pe măsură ce temperatura se apropie de 0°C.

Mai recent, simulările au făcut posibilă reprezentarea mai bună a structurii acestui strat lichid. Ulterior, acest strat a fost denumit „pseudo-lichid” sau „cvasi-lichid” pentru a-l diferenția de faza lichidă adevărată. O astfel de muncă teoretică a arătat că în acest strat de suprafață, moleculele se pot mișca mai liber, confirmând rolul său de lubrifiant. Cu toate acestea, structura moleculară nu este exact aceeași cu cea a apei lichide, ceea ce are consecințe asupra proprietăților mecanice ale acestui strat pseudo-lichid.

Un studiu recent a arătat o corelație puternică între mobilitatea individuală a moleculelor și coeficientul macroscopic de frecare (cu cât este mai mic coeficientul, cu atât este mai ușor de alunecat), sugerând că nu este atât grosimea a stratului care contează pentru alunecare ci mai degrabă mișcarea individuală a moleculelor. Valoarea minimă a coeficientului de frecare este măsurată la -7°C, cunoscută drept temperatura optimă pentru schiori și patinatori.

Alte cercetări au mers la inima stratului pseudo-lichid folosind o nano-sondă. , vârful unui microscop cu forță atomică. Prin vibrarea acestui vârf conectat la un senzor de forță extrem de precis, măsurând frecarea dintre vârf și lichidul din strat, autorii au măsurat că acest lichid poate fi de 50 de ori mai vâscos decât apa lichidă și că posedă și elasticitate (o proprietate asociat mai mult cu starea solidă). Această vâscozitate este similară cu cea a uleiurilor dvs. comestibile, făcând stratul pseudo-lichid un lubrifiant excelent.

În rezumat: gheața alunecă deoarece pe suprafața sa se formează un strat lichid de aproximativ 1 până la 100 de nanometri grosime. Proprietățile sale mecanice (vâscozitate, elasticitate), care sunt diferite de cele ale apei lichide, și mobilitatea moleculelor care o alcătuiesc, care este mult mai mare decât cea a gheții solide, îi conferă proprietățile sale excepționale de lubrifiere.

Lipicibilitatea gheții, totuși, continuă să deruteze oamenii de știință, în ciuda celor 70 de ani de experimente. În timpul acesteia din urmă, oamenii de știință au avut tendința de a folosi un kit destul de simplu: un piston conectat la un senzor de forță împinge un bloc de gheață, lipit de un obiect solid. Când cubul de gheață se rupe, forța înregistrată de senzor devine brusc zero și se măsoară valoarea maximă înainte de această rupere. Dar aceste rezultate au arătat tendințe uneori contradictorii și o dispersie destul de largă.

O recenzie recentă pe acest subiect a concluzionat că forța de aderență a gheții „depinde nu numai de compoziția chimică, rugozitatea suprafeței, mecanică și termică. proprietățile substratului [dar] depinde și în mod critic de temperatură și chiar de dispozitivul experimental de măsurare a aderenței.”

Pentru a fi puțin mai precis, atunci când explorăm literatura pe acest subiect în ultimii 60 de ani. ani, observăm că rezistența cu care gheața se lipește de un solid depinde puternic de temperatură într-un interval cuprins între -20°C și 0°C (gheața se lipește mai greu de un solid mai rece). În ceea ce privește rolul rugozității suprafeței, acesta este ambivalent: pentru unele solide (în special metale), gheața se lipește mai puternic de un substrat mai dur, în timp ce pe unele materiale plastice este invers...

În sfârșit, la un nivel chimic, apa lichidă se poate răspândi mai bine pe unele suprafețe decât pe altele. De exemplu, apa se răspândește foarte bine pe sticla curată, în timp ce unele suprafețe sunt hidrofobe, cum ar fi teflonul.

Un studiu recent a arătat că cu cât mai multă apă în stare lichidă se răspândește pe suprafața unui solid, cu atât mai multă gheață va adera la acest solid. Dimpotrivă, o suprafață cu afinitate mică pentru apa lichidă va avea, de asemenea, puțină aderență pentru gheață.

De ce această relație între răspândirea apei și aderența gheții? În primul rând, pentru ca gheața să adere la un solid rece, apa în stare lichidă trebuie să fi putut îngheța la contactul cu solidul. Iată un experiment simplu pe care îl poate face oricine:

Ce putem concluziona? Intuitiv, cu cât afinitatea apei pentru suprafață este mai mare, cu atât apa lichidă se infiltrează mai ușor în rugozitatea și golurile de pe suprafața solidului, crescând suprafața de contact dintre acesta și gheață după solidificare, consolidând astfel aderența. Acest experiment demonstrează și rolul apei lichide ca adeziv. Când utilizați un adeziv convențional, de exemplu, lipici lichid, pentru a uni două părți, atunci când părțile se solidifică (prin evaporarea unui solvent din lipici) are loc aderența puternică și definitivă. Același lucru se întâmplă atunci când apa lichidă se răcește la contactul cu un solid rece și se solidifică. Stratul de apă înghețată joacă apoi rolul unuia dintre solide.

Nu putem explica în detaliu aderența gheții, dar putem încerca să-i reducem rezistența. Ideea de a folosi tratamente hidrofuge a apărut în mod natural, dar aceste tratamente nu sunt foarte robuste în timp și pot avea efectul opus a ceea ce s-a dorit. Soluțiile mai promițătoare implică împrăștierea unui strat subțire de ulei sau a unui hidrogel pe suprafață, dar există încă probleme cu stabilitatea acestor straturi pe suprafețe mari.

O altă abordare este utilizarea metodelor active de dezghețare. O astfel de tehnică este ultrasunetele de suprafață, care generează „micro-cutremure” pe suprafața solidă și poate provoca desprinderea gheții. În prezent studiem această metodă în laboratorul MSC.

Acest articol este republicat din The Conversation sub o licență Creative Commons. Citiți articolul original.

(Fluierul)