Po více než století fascinovala „kluzkost“ ledu fyziky a chemiky. Oproti oblíbenému vysvětlení, že se jedná o tenkou vrstvu kapalné vody, nedávná studie ukazuje, že led si může udržet svou kluzkost, aniž by tál, a to i při extrémních teplotách.
Konec mýtu
Většina učebnic vysvětluje „kluzkost“ ledu přítomností vodního filmu, který vzniká pod tlakem, teplem nebo třením. Tento koncept je částečně platný, avšak naráží na obtížná pozorování, jako je možnost lyžování nebo klouzání při teplotách výrazně pod nulou, někdy i kolem –20 °C, bez měřitelného zvýšení teploty na povrchu.
Aby tento rozpor vysvětlili, tým vedený Martinem Müserem, profesorem na univerzitě v Saaru, použil rozsáhlé numerické simulace k pozorování ledu na molekulární úrovni. Použitý model, TIP4P/Ice, přesně reprodukuje známé vlastnosti ledu a kapalné vody. Vědci simulovali kontakt mezi dvěma dokonale plochými krystaly ledu, udržovanými při extrémně nízkých teplotách, až 10 kelvinů nad absolutní nulou.
Ještě než došlo k jakémukoli pohybu, některé oblasti vykazovaly méně stabilní molekulární uspořádání než okolní krystal. Tyto oblasti odpovídaly příznivým uspořádáním dipólů molekul vody. Když klouzání začalo, tyto oblasti se stávaly místy lokálního selhání. Krystalová struktura se tam postupně dezorganizovala, aniž by bylo nutné klasické tání nebo měřitelné zahřívání. Tato dezorganizace vytváří amorfní, hustou a neuspořádanou vrstvu, jejíž molekulární podpis se podobá tomu kapalné vody v podchlazeném stavu. Vytváření této vrstvy je spojeno s mírným poklesem místního objemu, což potvrzuje vyšší hustotu tohoto mezistavu.
Všechno je otázka pohybu
Simulace ukazují, že tloušťka této neuspořádané vrstvy se zvyšuje s vzdáleností klouzání podle pravidla čtvercové závislosti. Toto chování naznačuje mechanismus řízený mechanickým deformováním spíše než teplotou. Každý laterální pohyb nabízí molekulám na povrchu novou příležitost opustit jejich krystalovou pozici. Vědci rovněž prověřili tzv. hypotézu „superlubrikity“, dle níž by dva dokonale hladké, ale špatně seřízené krystaly mohly klouzat bez tření. V případě ledu se tato situace nenaplnila. I při použití suchých a nevyrovnaných krystalů zůstávají smykové napětí vysoké, pokud není přítomna žádná amorfní vrstva.
Studie rovněž odhaluje termální paradox, neboť při velmi nízké teplotě se dezorganizace způsobená klouzáním vyskytuje rychleji než při –10 °C. Při 10 kelvinech je tato transformace přibližně šestkrát rychlejší. Studený led se nestává těžším na klouzání, protože netaje, ale protože vytvořená amorfní vrstva je viskóznější a více odolává proudění.
Aby vědci přiblížili tyto výsledky k reálným podmínkám, simulovali procházející tuhou plochu přes led. Hydrofobní povrchy vytvářejí vysoké tření, blízké experimentally měřeným hodnotám, zatímco hydrofobní povrchy významně snižují odpor proti klouzání. Rozdíl vyplývá z toho, jak voda interaguje s povrchem, což mění disipační energii, aniž by radikálně měnilo mikrostrukturu.
