یک نظریۀ جدید دربارۀ علت «لغزنده بودن یخ»

فرادید|  دانشمندان نزدیک به دو قرن باور داشتند یخ لغزنده می‌شود زیرا فشار یا اصطکاک سطح آن را ذوب می‌کند. پژوهش جدید دانشگاه زارلَند این ایده را نقض می‌کند. 

به گزارش فرادید، بیش از یک قرن به دانشجویان سراسر جهان گفته شده بود فشار و اصطکاک موجب ذوب یخ می‌شوند. لغزش همیشگی در زمستان روی پیاده‌روهای یخ‌زده همواره به وزن بدن و فشار از ناحیه کفشی که هنوز گرم است، نسبت داده می‌شد. اما پژوهش جدید دانشگاه زارلَند نشان می‌دهد این دیدگاه ناقص است و لغزنده بودن یخ ناشی از تعامل بین دوقطبی‌های مولکولی در یخ و دوقطبی‌های سطح تماس، مانند زیره کفش است، نه فشار یا اصطکاک! 

پژوهشی که توسط پروفسور موزر و همکارانش، اشرف آتیلا و سرگئی سوخوملینوف انجام شد، مدلی را که کمابیش ۲۰۰ سال پیش توسط برادر لُرد کِلوین، جیمز تامپسون ارائه شده بود به چالش می‌کشد. تامپسون معتقد بود فشار و اصطکاک همراه با دما موجب ذوب یخ می‌شوند. 

مارتین موزر توضیح می‌دهد: «روشن شد فشار و اصطکاک نقش مهمی در تشکیل لایه‌ی نازک مایع روی یخ ندارند.» شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تیم نشان می‌دهد دوقطبی‌های مولکولی عامل اصلی شکل‌گیری لایه لغزنده‌ای هستند که موجب می‌شود در زمستان تعادل خود را از دست بدهیم. 

فیزیک دوقطبی‌ها

دوقطبی به راستی چیست؟ دوقطبی مولکولی زمانی بوجود می‌آید که یک مولکول دارای نواحی بار جزئی مثبت و منفی باشد و درنتیجه مولکول دارای قطبیت کلی شود که در جهتی مشخص قرار می‌گیرد. 

برای درک بهتر، باید ساختار یخ را بشناسیم. زیر صفر درجه سانتی‌گراد، مولکول‌های آب (H₂O) به شکل یک شبکه بلوری منظم قرار می‌گیرند، طوری که مولکول‌ها مدام با هم تراز می‌شوند و ساختار بلوری جامد را شکل می‌دهند. 

این تصویر نشان می‌دهد وقتی جسمی مانند اسکی، کفش اسکیت یا زیره‌ی کفش با سطح یخ تماس پیدا می‌کند چه رخ می‌دهد: ساختار بلوری منظم مولکول‌های آب ناگهان دچار اختلال می‌شود

وقتی کسی روی این ساختار منظم قدم می‌گذارد، این فشار یا اصطکاک کفش نیست که لایه بالایی مولکول‌ها را مختل می‌کند، بلکه جهت‌گیری دوقطبی‌ها در زیر کفش است که با دوقطبی‌های یخ تعامل پیدا می‌کند و ساختار پیشین منظم ناگهان مختل می‌شود. 

موزر می‌گوید: «در سه بُعد، این تعاملات دوقطبی-دوقطبی خسته‌کننده می‌شوند». موزر به مفهومی در فیزیک اشاره می‌کند که نشان می‌دهد نیروهای رقیب مانع می‌شوند تا سیستم به یک ساختار پایدار و کاملاً منظم برسد. 

در سطح میکروسکوپی، نیروهای میان دوقطبی‌های درون یخ و مواد زیر کفش، ساختار بلوری منظم در سطح تماس را مختل می‌کنند و سبب می‌شوند یخ بی‌نظم و در نهایت مایع شود. 

بازنگری در فیزیک هوای سرد

افزون بر برهم زدنِ کمابیش ۲۰۰ سال دانشِ پذیرفته‌شده، این پژوهش یک تصور اشتباه دیگر را هم رد کرد. موزر توضیح می‌دهد: «تا پیش از این گمان می‌کردیم اسکی کردن در دماهای پایین‌تر از °۴۰- غیرممکن است زیرا هوا به‌قدری سرد است که لایه نازک مایع لغزنده زیر اسکی تشکیل نمی‌شود. اما روشن شد این هم اشتباه است.» 

وی ادامه می‌دهد: «تعاملات دوقطبی حتی در دماهای بسیار پایین ادامه دارند. شگفت‌انگیز است که یک لایه مایع حتی نزدیک صفر مطلق بین یخ و اسکی تشکیل می‌شود.» البته در چنین دماهای پایینی، این لایه غلیظ‌تر از عسل است و ما به سختی آن را آب تشخیص می‌دهیم و اسکی کردن روی آن در عمل غیرممکن است، اما لایه وجود دارد. 

برای کسی که به دلیل لغزش در زمستان آسیب دیده، مهم نیست عامل فشار «اصطکاک» یا «دوقطبی‌ها» بوده، اما در فیزیک این تفاوت اهمیت حیاتی دارد. نتایج این کشف از سوی تیم تحقیقاتی زارلَند هنوز در حال آشکار شدن است و جامعه علمی توجه زیادی به آن دارد.

مترجم: زهرا ذوالقدر