برای بیش از یک قرن، به دانش‌آموزان و دانشجویان در سراسر جهان گفته شده که فشار و اصطکاک باعث ذوب شدن یخ می‌شود. لغزش‌های معمول در زمستان روی پیاده‌روهای یخ‌زده اغلب به وزن بدن که از طریق کف کفش (هنوز گرم) فشار می‌آورد، نسبت داده می‌شد. با این حال، تحقیقات جدید از دانشگاه زارلند نشان می‌دهد که این دیدگاه کامل نیست و لغزندگی ناشی از برهم‌کنش بین دوقطبی‌های مولکولی در یخ و سطح تماس‌گیرنده، مانند کف کفش، است و نه فشار یا اصطکاک!
این تحقیق که توسط پروفسور مارتین موسر و همکارانش اشرف آتیلا و سرگئی سوخوملینف انجام شده، مدل ارائه شده توسط جیمز تامپسون (برادر لرد کلوین) را که نزدیک به ۲۰۰ سال پیش فشار، اصطکاک و دما را عامل ذوب یخ می‌دانست، به چالش می‌کشد!
موسر توضیح می‌دهد:
معلوم شد که نه فشار و نه اصطکاک نقش چندان مهمی در تشکیل لایه نازک مایع روی یخ ندارند.
در عوض، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری این تیم نشان می‌دهد که دوقطبی‌های مولکولی عامل اصلی تشکیل این لایه لغزنده هستند که اغلب باعث می‌شوند در زمستان تعادلمان را از دست بدهیم.
فیزیک دوقطبی‌ها
اما دوقطبی دقیقاً چیست؟ دوقطبی مولکولی زمانی ایجاد می‌شود که یک مولکول دارای نواحی با بار جزئی مثبت و منفی باشد، که به مولکول یک قطبیت کلی می‌دهد که در جهتی خاص اشاره می‌کند.
برای درک بهتر آنچه در حال وقوع است، دانستن ساختار یخ مفید است. در دمای زیر صفر درجه سلسیوس، مولکول‌های آب (H₂O) در یک شبکه بلوری بسیار منظم قرار می‌گیرند که در آن مولکول‌ها به صورت مرتب در یک راستا قرار گرفته و ساختاری جامد و بلورین ایجاد می‌کنند.
هنگامی‌که کسی روی این ساختار منظم قدم می‌گذارد، این فشار یا اصطکاک کفش نیست که لایه بالایی مولکول‌ها را به هم می‌ریزد، بلکه جهت‌گیری دوقطبی‌های موجود در کف کفش است که با دوقطبی‌های یخ برهم‌کنش دارند. این برهم‌کنش باعث می‌شود ساختار منظم قبلی ناگهان بی‌نظم شود.
موسر با اشاره به مفهومی در فیزیک می‌گوید:
در سه بعد، این برهم‌کنش‌های دوقطبی-دوقطبی ‘ناکام’ می‌شوند. این اصطلاح به وضعیتی اشاره دارد که نیروهای رقیب، سیستم را از رسیدن به یک پیکربندی کاملاً منظم و پایدار بازمی‌دارند.
در سطح میکروسکوپی، نیروهای بین دوقطبی‌های یخ و دوقطبی‌های ماده کفش، ساختار بلوری منظم در سطح مشترک بین یخ و کفش را مختل می‌کنند و باعث می‌شوند یخ بی‌نظم، بی‌شکل و در نهایت مایع شود.
بازنگری در فیزیک هوای سرد!
علاوه بر دگرگون کردن تقریباً ۲۰۰ سال دانش پذیرفته شده، تحقیقات این تیم یک تصور غلط دیگر را نیز رد می‌کند. پروفسور موسر توضیح می‌دهد:
تاکنون تصور می‌شد که اسکی در دمای زیر ۴۰- درجه سانتی‌گراد غیرممکن است، زیرا هوا برای تشکیل یک لایه نازک روان‌کننده در زیر اسکی‌ها بسیار سرد است. اما معلوم شد که این نیز نادرست است.
موسر می‌گوید:
برهم‌کنش‌های دوقطبی در دماهای بسیار پایین نیز ادامه دارند. جالب اینکه یک لایه مایع حتی در دماهای نزدیک به صفر مطلق نیز در سطح مشترک بین یخ و اسکی تشکیل می‌شود.
با این حال، در چنین دماهای پایینی، این لایه از عسل هم غلیظ‌تر است. به سختی آن را به عنوان آب تشخیص می‌دهیم و اسکی کردن روی آن عملاً غیرممکن خواهد بود؛ اما با این وجود، آن لایه وجود دارد.
برای کسی که به دلیل لیز خوردن و زمین خوردن در زمستان دچار آسیب شده، اینکه فشار، اصطکاک یا دوقطبی‌ها مقصر بوده‌اند، اهمیت چندانی ندارد. اما برای فیزیک، این تمایز حیاتی است. پیامدهای این کشف توسط تیم تحقیقاتی زارلند هنوز در حال آشکار شدن است و جامعه علمی به آن توجه نشان می‌دهد.
منبع: Scitechdaily
