Kun joku liukastuu jäisellä jalkakäytävällä, hän ei yleensä miettikään, miksi jää on niin petollinen. Hän yrittää säilyttää tasapainonsa, kiroaa ja kiihdyttää askeltaan. On hauskaa, että jopa vuosisatoja tieteen syntymisen jälkeen kouluissa opetettu selitys liukastumiselle toistuu edelleen: jää sulaa kävelyn aiheuttaman paineen tai lämmön vaikutuksesta, ja tämä ohut vesikalvo saa meidät liukastumaan . Onko tämä sovitus?
Sisällysluettelo
Asia ei ole niin yksinkertainen. Tämä vanha ajatus on juuri kumottu. Fyysikko Martin Müzerin tekemä ja Physical Review Letters -lehdessä julkaistu uusi tutkimus osoittaa, että paine tai kitka eivät ole todellisia syitä jään vaaroihin . Itse asiassa syy liukastumiseemme liittyy molekyylien väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen. Tämä elegantti selitys, joka perustuu molekyylimallinnukseen, muuttaa radikaalisti käsityksiä jään käyttäytymisestä kosketuksessa.
Vanha paradigma, joka on vihdoin murtunut
Lähes kahden vuosisadan ajan vallitseva teoria oli, että kävelyn aiheuttama kitka tai kehon paino jäällä astuttaessa tuottaa tarpeeksi lämpöä sulattamaan hyvin ohuen pintakerroksen. Tämä vesi toimi luonnollisena voiteluaineena vähentäen kitkaa ja helpottaen liukumista. Tätä hypoteesia kannattivat sellaiset merkittävät henkilöt kuin James Thompson, lordi Kelvinin veli .
Saarlandin yliopiston tutkijoiden uusi tutkimus on kuitenkin osoittanut, että tämä selitys on tieteellisesti kestämätön . Molekyylitason mallinnuksen avulla tiimi havaitsi, että jää voi muuttua liukkaaksi ilman lämpenemistä tai äärimmäistä painetta , mikä haastaa klassisen teorian perusteet.
Artikkelin mukaan ”jääpinnat sulavat ilman termodynaamista sulamista, vaan pääasiassa kylmän amorfisoitumisen vuoksi, joka johtuu siirtymästä”. Tämä tarkoittaa, että jään rakenne muuttuu paikallisesti epäjärjestykselliseksi kosketuksessa toisen materiaalin, esimerkiksi kengän pohjan, kanssa sähkövarauksien vuorovaikutuksen vuoksi molemmilla pinnoilla.
Dipolit, epäjärjestys ja pinnat, jotka deformoituvat ilman sulamista
Tämän ilmiön ymmärtämiseksi on tärkeää tietää, mikä on molekyylidipoli . Se on molekyyli, jonka varaus on epätasaisesti jakautunut, eli sen toinen pää on hieman positiivisesti varautunut ja toinen hieman negatiivisesti varautunut. Jäätyneen veden tapauksessa molekyylien dipolit ovat vakaasti sijoitettuina kidehilan sisään.
Kun toinen materiaali, esimerkiksi kengät tai sukset, koskettaa tätä pintaa, jään ja esineen dipolit ovat vuorovaikutuksessa . Tämä rikkoo järjestyksen aiheuttaen molekyylien epäjärjestyksen ja siirtymisen amorfiseen tilaan. Se ei ole kiinteää jäätä, mutta ei myöskään nestemäistä vettä yleisessä merkityksessä. Se on välitila, joka käyttäytyy kuin erittäin ohut voitelukerros.
Tiimi selittää: ”Silein jää-jää-rajapinta muodostaa yleensä paikallisesti hitsautuneita kylmiä pisteitä, joissa sivuttaissiirtymä käynnistää amorfisoitumisen ilman lämpenemistä tai suuria normaaleja paineita”. Tämä amorfisaatio, eli kiteisen järjestyksen menetys, tapahtuu ilman, että jää tarvitsee saavuttaa sulamispistettä .
Mitä amorfisaatio on?
Amorfisaatio on prosessi, jossa aine menettää järjestäytyneen kiteisen rakenteensa ja siirtyy epäjärjestäytyneeseen tilaan , joka tunnetaan amorfisena. Jään tapauksessa tämä tarkoittaa, että vesimolekyylit eivät enää ole järjestäytyneitä kuten kiteessä, vaan siirtyvät kaoottiseen tilaan ilman tiettyä rakennetta. Tämä muutos ei tarkoita jään sulamista nestemäiseksi vedeksi, vaan pikemminkin välimuotoa, joka toimii voitelevana pinnoitteena pinnalla.
Myytti, että -40 °C:n lämpötilassa ei voi hiihtää
Yksi vakiintuneimmista uskomuksista, jopa ammattilaislaskettelijoiden keskuudessa, on, että hiihtäminen on mahdotonta alle -40 °C:n lämpötilassa, koska liukumiseen tarvittavaa vesikerrosta ei muodostu. Tämä tutkimus osoittaa, että tämäkin on väärä uskomus. Vaikka näissä äärimmäisissä olosuhteissa vesikerros muuttuu viskoosisemmaksi – ”hunajaa paksummaksi”, kuten tutkimuksen tekijät kuvailevat raportissaan – se on kuitenkin olemassa .
Tärkeää on, että tämä ohut kalvo ei synny sulamisen seurauksena, vaan rakenteellisesta epäjärjestyksestä, joka johtuu liikkeestä . Jopa lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa, dipoliset vuorovaikutukset pysyvät aktiivisina, ja voitelukerros muodostuu joka tapauksessa.
Tämä löytö muuttaa lähestymistapaa jään liukumisen ymmärtämiseen äärimmäisissä olosuhteissa. Kyse ei ole siitä, kuinka paljon vettä muodostuu kuumennettaessa, vaan siitä, kuinka jäämolekyylit järjestäytyvät uudelleen voiman vaikutuksesta, vaikka se olisi pieni .
Materiaalin rooli kosketuksessa: kaikki eivät liu’u samalla tavalla
Toinen tärkeä tutkimuksen johtopäätös on, että jään kanssa kosketuksessa olevan materiaalin tyyppi vaikuttaa merkittävästi kitkan tasoon . Mallinnus osoitti, että vettä hylkivät hydrofobiset pinnat aiheuttavat vähemmän kitkaa kuin hydrofiiliset pinnat.
Tämä johtuu siitä, että amorfisen veden rakenne muuttuu vähemmän kosketuksessa materiaalien kanssa, jotka eivät houkuttele sitä . Tämän seurauksena voitelukerros pysyy pidempään vakaana, mikä edistää tehokkaampaa liukumista. Tutkijoiden mukaan: ”Jotta jäällä olisi erittäin alhainen kitkakerroin, sen vastapinnat on oltava sileitä ja hydrofobisia, eikä niissä saa olla faasien välistä vettä.”
Tämä löytö voidaan soveltaa suoraan renkaiden, luistamattomien jalkineiden ja urheiluvälineiden kehittämisessä. Jos kitkaa voidaan hallita tämän materiaalin avulla, voidaan kehittää tekniikoita, jotka vähentävät merkittävästi kaatumisriskiä tai parantavat urheilusuorituksia .
Kyse ei ole lämmöstä, vaan siirtymästä.
Ehkä yksi tämän tutkimuksen paradoksaalisimmista piirteistä on se, että jää muuttuu liukkaammaksi lämpötilan laskiessa . Esimerkiksi -10 °C:ssa amorfisoitunut jää on viskoosisempaa kuin alemmissa lämpötiloissa. Tämä ei kuitenkaan tarkoita kitkan lisääntymistä. Itse asiassa amorfisoitumisen nopeus – prosessi, joka johtaa liukkaan kerroksen muodostumiseen – on sitä suurempi, mitä kylmempi jää on.
Tämä on suorassa ristiriidassa ajatuksen kanssa, että lämpöä tarvitaan jään sulattamiseen ja liukumisen helpottamiseen. Tutkimuksessa verrataan jään käyttäytymistä -10 °C:ssa ja 10 K:ssa (noin -263 °C) ja havaitaan, että ”kylmemmät jääkiteet amorfisoituvat nopeammin”.
Selitys löytyy molekyylimekaniikasta. Tällaisissa lämpötiloissa molekyylit ovat niin jäykkiä, että voiman vaikutuksesta ne eivät ehdi järjestäytyä uudelleen, vaan muuttuvat vain epäjärjestyksellisiksi ja muodostavat kerroksen, joka mahdollistaa liukumisen.
Hiljainen vallankumous, jolla on hyvin erityisiä sovelluksia
Vaikka tämä löytö saattaa vaikuttaa teoreettiselta, sillä on välitön merkitys monille arkielämän ja teknologian aloille. Renkaiden suunnittelusta jäisille teille suksien valmistukseen ja kitkaa vähentävien materiaalien kehittämiseen – ymmärrys todellisesta liukumekanismista jäällä mahdollistaa päätösten tekemisen todellisen fysiikan perusteella, eikä 1800-luvulta periytyvien oletusten perusteella .
Se kannustaa meitä myös tarkistamaan lähestymistapaa jään fysiikan opettamiseen peruskoulussa. Uudet tiedot osoittavat, että ilmiö ei riipu vain lämmöstä tai paineesta, vaan myös rakenteellisista ja sähköisistä vaikutuksista mikroskooppisella tasolla, joita voidaan mallintaa nykyaikaisilla mallinnustyökaluilla.
Lopuksi tämä läpimurto osoittaa perustutkimuksen arvon. Se, mikä alkoi uteliaisuutena siitä, miksi jää on liukasta, muutti lopulta käsityksemme jokapäiväisestä ilmiöstä. Ja tämä tapahtui näkymättömän mutta tehokkaan työkalun ansiosta: atomitasolla tapahtuvan tietokonemallinnuksen avulla.
