Ze waren van mening 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. Maar aan de oppervlakte hebben de watermoleculen minder buren om zich aan te binden en hebben daardoor meer bewegingsvrijheid dan in vast ijs. In de zogenaamde voorgesmolten laag kunnen moleculen gemakkelijk worden verplaatst door een schaats, een ski of een schoen.
Tegenwoordig zijn wetenschappers het er over het algemeen over eens dat de voorsmeltlaag bestaat, tenminste in de buurt van het smeltpunt, maar ze zijn het niet eens over de rol ervan in de gladheid van het ijs.
Een paar jaar geleden, Luis MacDowelleen natuurkundige aan de Complutense Universiteit van Madrid, en zijn medewerkers liepen weg een reeks simulaties om te bepalen welke van de drie hypothesen – druk, wrijving of smelten – de gladheid van het ijs het beste verklaart. “In computersimulaties kun je de atomen zien bewegen”, zei hij – iets wat in echte experimenten niet mogelijk is. “En je kunt zelfs naar de buren van deze atomen kijken” om te zien of ze op regelmatige afstanden van elkaar staan, zoals in een vaste stof, of ongeordend, zoals in een vloeistof.
Ze ontdekten dat hun gesimuleerde ijsblok feitelijk bedekt was met een vloeistofachtige laag van slechts een paar moleculen dik, zoals de smelttheorie 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 hier geen significante invloed op. 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 tot op zekere hoogte gelijktijdig”, aldus MacDowell.
Hypothese 4: Amorfisatie
Of misschien is het smelten van het oppervlak niet de belangrijkste reden voor 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 moet, om de druk hoog genoeg te laten zijn om het ijsoppervlak te laten smelten, het contactoppervlak tussen (bijvoorbeeld) ski en ijs “onredelijk klein” zijn. zij schreven. Ten tweede laten experimenten zien dat voor een ski die met een realistische snelheid beweegt, de hoeveelheid warmte die door wrijving wordt gegenereerd onvoldoende is om smelten te veroorzaken. Ten derde ontdekten ze dat het ijs bij extreem koude temperaturen nog steeds glad is, ook al is er geen voorgesmolten laag. (Oppervlakmoleculen hebben nog steeds geen 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 voort uit een combinatie van al deze moleculen of uit een paar ervan, of er is iets anders dat we nog niet weten”, zei hij. Achraf Atilaeen materiaalwetenschapper in het team.
De onderzoekers zochten 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 weer een Duitse onderzoeksgroep publiceerde een paper verklaar dit fenomeen. Ze maakten computersimulaties van twee diamanten die tegen elkaar aan gleden. Atomen aan het oppervlak werden mechanisch uit hun bindingen getrokken, waardoor ze konden bewegen, nieuwe bindingen konden vormen, enzovoort. Dit glijden vormde een structuurloze, “amorfe” laag. 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 moleculen aan 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. De gesimuleerde ijsoppervlakken gleden tegen elkaar aan, waardoor de temperatuur van het gesimuleerde systeem laag genoeg bleef om de afwezigheid van smelten te garanderen. (Elke gladheid zou dus een andere verklaring hebben.) Om te beginnen trokken de oppervlakken elkaar aan, als magneten. Dit kwam 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 in het ijs ontstonden er kleine lasjes tussen de glijoppervlakken. Terwijl de oppervlakken langs elkaar gleden, braken de lasnaden uit elkaar en vormden zich nieuwe, waardoor de structuur van het ijs geleidelijk veranderde.
