5 Minuten
Beveik du šimtmečius vadovėliai aiškino, kad ledo slidumas kyla dėl spaudimu ar trintimi sukeltos tirpimo. Naujas Saarlando universiteto tyrimas, kuriam vadovauja profesorius Martin Müser kartu su kolegomis Achrafu Atila ir Sergeyumi Sukhomlinovu, kelia abejonių šiai ilgai galiojusiai nuomonei. Jų simuliacijos rodo, kad plonas tepantis sluoksnis, susidarantis ledo sąlytyje, kyla daugiausia dėl molekulinių dipolių sąveikų kontakto paviršiuje — pavyzdžiui, batų pado ar slidžių pamatų molekulių orientacijos — o ne dėl spaudimu ar trintimi susidariusios šilumos. Šis paaiškinimas susijęs su ledo slidumu ir dipolių sąveikomis, turinčiomis reikšmės tiek tribologijai, tiek žiemos saugumo klausimams.
Komanda peržiūri beveik prieš 200 metų Jameso Thomsono (Lordo Kelvino brolio) pasiūlytą idėją, pagal kurią spaudimas, trintis ir temperatūra buvo esminiai paviršinio tirpimo varikliai. Vietoje to tyrėjai nustato, kad elektrostatinės dipolio–dipolio jėgos sutrikdo tvarkingą ledo kristalinę struktūrą ir sukelia netvarkingumą bei skysčio panašų sluoksnį net ir sąlygomis, kur tradicinis tirpimas neturėtų vykti.
Dipolių fizika ir ledo paviršius
Kas yra dipolis?
Molekulinis dipolis susidaro tada, kai molekulėje atsiranda dalinių teigiamų ir neigiamų krūvių sritys, sukuriant kryptingą poliarumą. Vandens molekulės (H2O) yra poliarinės: esant temperatūrai žemiau 0 °C jos užsirakina į labai tvarkingą kristalinę tinklo struktūrą, kuri charakterizuoja kietą ledą. Kai kitas paviršius liečiasi su tuo tinklu, jo paviršiaus dipolių orientacija sąveikauja su ledo dipoliais.
Iliustracija parodo, kas vyksta ledo paviršiuje, kai su juo kontaktuoja kitas objektas, pavyzdžiui, slidės, čiuožimo pačiūžos ar batų padai: iki tol tvarkinga vandens molekulių kristalinė struktūra staiga sutrinka. Credit: AG Mueser
Pagal Saarlando universiteto simuliacijas šios dipolio–dipolio sąveikos gali tapti „frustruotos“ trijose dimensijose — fizikos terminas, reiškiantis, kad konkuruojančios orientacinės jėgos neleidžia sistemai pasiekti vieno mažos energijos tvarkingo būvio. Ledo ir kontakto paviršiaus sąsajoje ši frustacija destabilizuoja kristalinį išsidėstymą, sudarydama amorfišką, netvarkingą sluoksnį, elgsiantįsi kaip klampus skystis. Svarbu paminėti, kad simuliacijos rodo: šiam procesui nereikia reikšmingo trinties ar slėgio sukelto įkaitinimo — elektrostatinės sąveikos pačios gali sukurti tepantį sluoksnį.
Pagrindiniai atradimai, žemo temperatūros elgsena ir pasekmės
Viena iš stulbinančių išvadų paneigia dar vieną paplitusią prielaidą: kad tepantis sluoksnis negali susidaryti esant itin žemai temperatūrai (pavyzdžiui, gerokai žemiau −40 °C). Müseris ir kolegos praneša, kad dipolių sukeltas netvarkingumas išlieka net labai žemoje temperatūroje. Nors sąsajos sluoksnis tampa vis klampesnis — prie itin šalčio artėdamas prie medaus konsistencijos — tas sluoksnis vis tiek egzistuoja. Tai praktiškai reiškia, kad tam tikras sąsajos mobilumas pasireiškia platesniame temperatūrų diapazone nei manyta anksčiau, nors mechaninės pasekmės (pvz., kaip lengvai kas nors paslysta arba kaip gerai slysta slidės) priklauso nuo sluoksnio klampos.
Atradimas turi plačias pasekmes paviršių moksle, tribologijoje, žiemos saugumo priemonių kūrime ir medžiagų inžinerijoje. Jei dipolių orientacija ir paviršiaus chemija lemia sąsajos tirpimą, kuriant batų padus, čiuožimo arba slidžių medžiagas su specifinėmis dipolių savybėmis būtų galima keisti slydimo riziką arba našumą. Panašiai ši mechanika gali padėti kurti antiledo dangas ir kriogeninio apdorojimo metodus, kur svarbu kontroliuoti sąsajos netvarkingumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Park, medžiagų mokslininkė ir mokslo komunikatorė, Kembridžo universitetas: „Šis tyrimas persvarsto mums pažįstamą reiškinį, nukeldamas priežastinį aiškinimą į molekulinius elektrostatikos mechanizmus. Atsiveria praktiškas kelias: jei sąsajoje kontroliuojama dipolių orientacija lemia skystumą, inžinieriai gali taikyti paviršiaus polarumo reguliavimą, kad slopinant arba skatinant plonų sluoksnių susidarymą būtų pagerintas saugumas ar sportinė įranga.“
Saarlando komanda rėmėsi pažangiomis atomistinėmis kompiuterinėmis simuliacijomis, kad užfiksuotų dipolio–dipolio sąveikas nanometrų mastu — režimus, kuriuos sunku tiesiogiai tirti eksperimentais. Tokių skaičiavimų pagrindu gaunami testuojami prognozių variantai: pavyzdžiui, keičiant kontaktinio paviršiaus poliarumą ar dipolių orientaciją nuspėjamai pasikeistų sąsajos sluoksnio storis ir klampa.
Išvada
Ilgai paplitusi nuomonė, kad ledo slidumą sukelia vien tik spaudimas ir trintis, yra neišsami. Saarlando universiteto simuliacijos rodo, kad molekuliniu mastu dipolių sąveikos gali destabilizuoti ledo paviršių ir susidaryti tepantis sluoksnis net ir esant labai žemai temperatūrai. Šis požiūrio poslinkis turi tiek mokslinių, tiek praktinių pasekmių: jis verčia perrašyti vadovėlius, skatina naujus eksperimentus kriophizikos ir tribologijos srityse ir nurodo kelią kuriant inžinerinius paviršius, kurie reguliuotų slydimą ne tik per šiluminius ar mechaninius veiksnius, bet ir per dipolių elgesį. Tolimesni eksperimentiniai ir medžiagų mokslininkų tyrimai žada patikslinti mūsų supratimą apie šalčio paviršių fiziką ir paskatinti naujas saugumo bei veikimo optimizavimo priemones ant ledo.
Quelle: scitechdaily
Kommentare