5 Minutės
Beveik dvi amžius vadovėliai aiškino ledo slydimą kaip slėgio ar trinties sukeltos tirpimo pasekmę. Naujas Saarlando universiteto tyrimas, kuriam vadovauja profesorius Martin Müser kartu su kolegomis Achraf Atila ir Sergey Sukhomlinov, kelia abejonių dėl šio ilgai gyvavusio vaizdinio. Jų simuliacijos rodo, kad plonas, tepantis sluoksnis, susidarantis ledo ir kontakto paviršiuje kyla daugiausia iš molekulinių dipolių sąveikos kontaktinėje vietoje — pavyzdžiui, batų pado ar slidžių bazės molekulių — o ne iš slėgio ar trinties sukurtos šilumos.
Komandos darbas peržiūri beveik prieš 200 metų pasiūlytą idėją, kurią iškėlė Jamesas Thomsonas (Lordo Kelvino brolis), teigęs, kad slėgis, trintis ir temperatūra yra pagrindiniai paviršinio tirpimo varikliai. Vietoje to tyrėjai nustato, kad elektrostatinės dipolių-dipolių jėgos sutrikdo tvarkingą ledo kristalinę gardelę, sukurdamos netvarką ir skystą sluoksnį net tais atvejais, kai tradicinis tirpimas neturėtų įvykti.
Dipolių fizika ir ledo paviršius
Kas yra dipolis?
Molekulinis dipolis atsiranda, kai molekulėje yra dalinių teigiamų ir neigiamų krūvių sričių, sukuriant kryptinę polarizaciją. Vandens molekulės (H2O) yra polinės: žemiau 0 °C jos suformuoja labai tvarkingą kristalinę gardelę, kuri apibrėžia kietą ledą. Kai kitas objektas liečiasi su ta gardele, jo paviršiaus dipolių orientacija sąveikauja su ledo dipoliais.
iliustracija rodo, kas vyksta ant ledo paviršiaus, kai su juo susiliečia kitas objektas, pavyzdžiui, slidės, pačiūžos ar batų padai: anksčiau tvarkinga vandens molekulių kristalinė struktūra staiga sutrinka. Šaltinis: AG Mueser
Pasak Saarlando simuliacijų, šios dipolių sąveikos trimatėje erdvėje gali tapti „frustruotos“ — tai fizikos terminas, reiškiantis, kad konkuruojančios orientacinės jėgos neleidžia sistemai pasiekti vieningos, mažos energijos sutvarkytos padėties. Ant ledo ir kontakto sąsajos ši frustracija destabilizuoja kristalinį išdėstymą, formuodama amorfišką, netvarkingą sluoksnį, kuris elgiasi kaip klampus skystis. Svarbu pabrėžti, kad simuliacijos rodo — šiam procesui nereikia reikšmingo šilumos kiekio iš trinties ar slėgio sukelto tirpimo: elektrostatinės sąveikos pačios gali sukelti tepantį sluoksnį.
Pagrindinės išvados, žema temperatūra ir pasekmės
Viena įspūdinga pasekmė paneigia dar vieną įprastą prielaidą: kad tepantis sluoksnis negali susidaryti itin žemoje temperatūroje (pavyzdžiui, gerokai žemiau −40 °C). Müseris ir kolegos praneša, kad dipolių sukeliama netvarka išlieka net labai žemuose temperatūros režimuose. Nors sąsajos sluoksnis tampa vis klampesnis — prie ekstremalaus šalčio artėdamas prie medaus konsistencijos — sluoksnis vis tiek egzistuoja. Tai praktiškai reiškia, kad tam tikras sąsajos mobilumas yra išlaikomas platesniame temperatūrų intervale nei manyta anksčiau, nors mechaninės pasekmės (pvz., kaip lengvai kas nors paslysta arba kaip slidės slysta) priklauso nuo sluoksnio klampumo.
Šis atradimas svarbus paviršių mokslui, tribologijai (trinties ir tepimo tyrimui), žiemos saugai ir medžiagų inžinerijai. Jeigu dipolių orientacija ir paviršiaus chemija reguliuoja sąsajos tirpimą, specialiai parinkus batų padų, pačiūžų ar slidžių medžiagas su konkrečiomis dipolių savybėmis galima keisti slydimo riziką ar našumą. Panašiai šis mechanizmas gali padėti kurti antįšalimo dangas ir kriogeninius paviršių apdorojimus, kur kontroliuoti sąsajos netvarką yra kritiškai svarbu.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Park, medžiagų mokslininkė ir mokslo komunikatorė, Kembridžo universitetas: "Šis tyrimas performuluoja pažįstamą reiškinį, nukeldamas priežastingą paaiškinimą į molekulinius elektrostatinius ryšius. Tai atveria praktišką kelią: jei sąsajoje dipolių sutvarka lemia skystumą, inžinieriai gali taikyti paviršiaus polarumą, kad slopintų arba skatintų plono sluoksnio formavimąsi. Tai galėtų paveikti viską — nuo saugesnės avalynės iki optimizuotos žiemos sporto įrangos."
Saarlando tyrimas rėmėsi pažangiomis atomistinėmis kompiuterinėmis simuliacijomis, siekdamas užfiksuoti dipolių-dipolių sąveikas nanometrų skalėje — sritis, kurias eksperimentuoti sunku. Komandos skaičiavimų metodas pateikia testuojamas prognozes: pavyzdžiui, keičiant kontaktinio paviršiaus polarumą ar dipolių orientaciją, turėtų būti nuspėjamai keičiamas sąsajos sluoksnio storis ir klampumas.
Išvada
Ilgai vyraujanti nuomonė, kad ledo slidumą sukelia vien tik slėgis ir trintis, yra neišsami. Saarlando universiteto simuliacijos parodo, kad molekulinio masto dipolių sąveikos gali destabilizuoti ledo paviršių ir suformuoti tepantį sluoksnį net esant labai žemai temperatūrai. Ši perspektyvos kaita turi tiek mokslo, tiek praktinių pasekmių: ji keičia vadovėlius, siūlo naujus eksperimentinius testus kriophizikoje ir tribologijoje bei nurodo kryptis kuriant inžinerinius paviršius, kurie reguliuotų slydimą keisdami dipolių elgseną, o ne vien pasikliaujant terminių ar mechaninių veiksnių kontrole. Kai eksperimentatoriai ir medžiagų mokslininkai imsis tolesnių tyrimų, atradimas žada patikslinti mūsų supratimą apie šalčio paviršių fiziką ir padėti kurti naujus sprendimus saugai bei našumui ant ledo.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai