5 دقیقه
برای تقریباً دو قرن، کتاب‌های درسی لغزندگی یخ را ناشی از ذوب شدن به‌خاطر فشار یا اصطکاک می‌دانستند. مطالعه‌ای تازه از دانشگاه سارلند به سرپرستی پروفسور مارتین مئوزر با همکارانش اشرف عطیلا و سرگئی سوخوملینوف آن تصویر دیرینه را به چالش می‌کشد. شبیه‌سازی‌های آن‌ها نشان میدهد لایهٔ نازک و روان‌کننده‌ای که در مرز یخ پدید می‌آید، عمدتاً ناشی از برهمکنش بین دو قطبیهای مولکولی در سطح تماس — مثلاً مولکول‌های زیرهٔ کفش یا پایهٔ اسکی — است و نه گرمای تولیدشده توسط فشار یا اصطکاک.
کار این تیم بازبینی ایده‌ای را انجام میدهد که حدود ۲۰۰ سال پیش توسط جیمز تامسون (برادر لرد کلوین) مطرح شده بود و او فشار، اصطکاک و دما را علت‌های اصلی ذوب سطحی می‌دانست. اما پژوهشگران می‌یابند که نیروهای الکترواستاتیک بین دو قطبیها شبکهٔ منظم بلوری سطح یخ را مختل کرده و آشفتگی و لایهای شبیه مایع ایجاد می‌کنند، حتی در شرایطی که ذوب سنتی نباید رخ دهد.
فیزیک دو قطبیها و سطح یخ
دو قطبی چیست؟
دو قطبی مولکولی زمانی رخ میدهد که در یک مولکول نواحی دارای بار جزئی مثبت و منفی وجود داشته باشد و در نتیجه قطبیتی جهت‌دار پدید آید. مولکول‌های آب (H2O) قطبی هستند: در دماهای زیر ۰ درجهٔ سانتی‌گراد آن‌ها در شبکهٔ بلوری بسیار منظمی قفل می‌شوند که یخ جامد را تعریف می‌کند. هنگامی که ماده‌ای دیگر با آن شبکه تماس پیدا می‌کند، جهتگیری دو قطبیهای سطح آن با دو قطبیهای یخ برهمکنش می‌یابد.
نمودار نشان میدهد وقتی شیئی مانند اسکی، کفش اسکیت یا زیرهٔ کفش با سطح یخ تماس می‌یابد چه رخ میدهد: ساختار بلوری مرتب مولکول‌های آب ناگهان مختل میشود. منبع: AG Mueser
بر اساس شبیه‌سازی‌های سارلند، این برهمکنشهای دو قطبی میتوانند در سه بعد دچار «فرا‌سردگی» (frustration) شوند — اصطلاحی در فیزیک که به حالتی اشاره دارد که نیروهای جهتگیری رقابتی مانع از رسیدن سامانه به یک حالت مرتب با انرژی پایین می‌شوند. در مرز یخ و سطح تماس این فروپاشی سبب ناپایداری چینش بلوری شده و لایهای بی‌شکل و آشفته به‌وجود می‌آورد که مانند یک مایع ویسکوز رفتار می‌کند. مهم اینکه شبیهسازیها نشان می‌دهند این فرایند به گرمایش قابل‌توجه ناشی از اصطکاک یا ذوب بر اثر فشار نیاز ندارد: برهمکنشهای الکترواستاتیک به‌تنهایی برای تولید لایهٔ روانکننده کافی‌اند.
یافته‌های کلیدی، رفتار در دماهای پایین و پیامدها
یک پیامد چشمگیر، برخلاف یکی دیگر از فرضیات رایج است: اینکه یک لایهٔ روانکننده در دماهای بسیار پایین (برای مثال بسیار کمتر از −۴۰ °C) شکل نمی‌گیرد. مئوزر و همکاران گزارش می‌دهند آشفتگی ناشی از دو قطبیها حتی در دماهای بسیار پایین ادامه دارد. هرچند لایهٔ بین‌سطحی هر چه سردتر میشود ویسکوزتر شده — نزدیک به غلظت عسل در سرماهای شدید — اما همچنان وجود دارد. به‌صورت عملی، این یعنی تا حدی تحرک بین‌سطحی در دامنهٔ دمایی وسیع‌تری نسبت به آنچه پیش‌تر تصور می‌شد حضور دارد، اگرچه پیامدهای مکانیکی (مثلاً آسانی لغزش یا لغزندگی اسکی‌ها) وابسته به ویسکوزیتهٔ آن لایه است.
این کشف برای علم سطح، تریبولوژی (مطالعهٔ اصطکاک و روان‌کاری)، ایمنی زمستانی و مهندسی مواد اهمیت گسترده‌ای دارد. اگر جهتگیری دو قطبیها و شیمی سطحی، ذوب بین‌سطحی را کنترل کنند، طراحی زیرهٔ کفش‌ها، پایه‌های اسکیت یا مواد اسکی با ویژگی‌های دو قطبی مشخص میتواند خطر لغزش یا عملکرد را تغییر دهد. به‌نحوی مشابه، این مکانیزم میتواند در طراحی پوششهای ضدیخ و فرایندهای سطحی کرایوژنیک که کنترل آشفتگی بین‌سطحی در آن‌ها حیاتی است، کارساز باشد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا پارک، دانشمند مواد و مروج علم، دانشگاه کمبریج: «این مطالعه پدیده‌ای آشنا را دوباره چارچوب‌بندی می‌کند و علت را به الکترواستاتیک مولکولی می‌رساند. این راهی عملی می‌گشاید: اگر هم‌راستایی دو قطبیها در مرز تعیین‌کنندهٔ مایع‌بودن باشد، مهندسان میتوانند قطبیت سطح را هدف قرار دهند تا تشکیل لایهٔ نازک را یا سرکوب یا تشویق کنند. این میتواند بر همه چیز از کفش‌های ایمن‌تر تا تجهیزات بهینهٔ ورزش‌های زمستانی تأثیر بگذارد.»
تحقیقات سارلند بر شبیه‌سازی‌های اتمی پیشرفتهٔ رایانه‌ای متکی بود تا برهمکنشهای دو قطبی در مقیاس نانومتر را ثبت کند — حوزه‌هایی که آزمایششان دشوار است. رویکرد محاسباتی تیم پیش‌بینی‌های قابل‌آزمایشی ارائه میدهد: برای نمونه، تغییر در قطبیت یا جهتگیری دو قطبی مادهٔ تماس‌گیرنده باید به‌طور قابل‌پیش‌بینی ضخامت و ویسکوزیتهٔ لایهٔ بین‌سطحی را تغییر دهد.
نتیجه‌گیری
باور دیرینه که تنها فشار و اصطکاک موجب لغزندگی یخ می‌شوند، ناکامل است. شبیه‌سازی‌های دانشگاه سارلند نشان میدهد برهمکنشهای دو قطبی در مقیاس مولکولی میتوانند سطح یخ را ناپایدار کنند و حتی در دماهای بسیار پایین لایهای روانکننده تولید کنند. این تغییر دیدگاه پیامدهای علمی و کاربردی دارد: کتاب‌های درسی را بازتعریف می‌کند، آزمایش‌های جدیدی در کرایوفیزیک و تریبولوژی پیشنهاد میدهد و به سمت سطوح مهندسی‌شده‌ای هدایت می‌کند که با تنظیم رفتار دو قطبی لغزش را کنترل می‌کنند نه تنها با عوامل حرارتی یا مکانیکی. با ادامهٔ پیگیری توسط آزمایشگران و دانشمندان مواد، این کشف نویدبخش پالایش فهم ما از فیزیک سطوح سرد و ارائهٔ رویکردهای نوین برای ایمنی و کارایی روی یخ است.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات