Wanneer iemand uitglijdt op een bevroren trottoir, vraagt hij zich meestal niet af waarom ijs zo verraderlijk is. Hij zoekt zijn evenwicht, vloekt op de grond en versnelt zijn pas. Het merkwaardige is dat, zelfs na eeuwen van wetenschappelijk onderzoek, de verklaring die we op school hebben geleerd over dat uitglijden nog steeds wordt herhaald: het ijs smelt door de druk of door de warmte die ontstaat wanneer je erop stapt, en dat dunne laagje water zorgt ervoor dat we uitglijden. Is dit echt de verklaring?
Dat is niet zo duidelijk. Dat oude idee is zojuist ontkracht. Een nieuwe studie onder leiding van natuurkundige Martin Müser, gepubliceerd in Physical Review Letters, toont aan dat noch druk, noch wrijving de echte boosdoeners zijn voor het gevaar van ijs. Wat ons laat uitglijden, heeft te maken met de elektrische interactie tussen moleculen. Het is een elegante verklaring, gebaseerd op moleculaire simulaties, die een revolutie teweegbrengt in wat we wisten over hoe ijs zich bij contact gedraagt.
Het oude paradigma dat eindelijk wordt doorbroken
Bijna twee eeuwen lang was de heersende theorie dat de wrijving tijdens het lopen of het gewicht van het lichaam bij het betreden van ijs voldoende warmte genereerde om een zeer dunne oppervlaktelaag te smelten. Dat water fungeerde als een natuurlijk smeermiddel, waardoor de wrijving werd verminderd en het glijden werd vergemakkelijkt. De hypothese werd ondersteund door illustere namen, zoals James Thompson, de broer van Lord Kelvin.
Maar het nieuwe onderzoek, uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Saarland, heeft aangetoond dat deze verklaring wetenschappelijk onhoudbaar is. Met behulp van simulaties op moleculair niveau ontdekte het team dat ijs glad kan worden zonder dat er warmte of extreme druk nodig is, waarmee het de kern van de klassieke theorie weerlegt.
Volgens het artikel “vloeien ijsoppervlakken zonder thermodynamisch te smelten, maar voornamelijk door een door verplaatsing geïnduceerde koude amorficering”. Dit houdt in dat de structuur van het ijs lokaal verstoord raakt wanneer het in contact komt met een ander materiaal, zoals een schoenzool, als gevolg van de interactie tussen de elektrische ladingen van beide oppervlakken.
Dipolen, wanorde en oppervlakken die vervormen zonder te smelten
Om dit fenomeen te begrijpen, is het essentieel om te weten wat een moleculaire dipool is. Dit is een molecuul met een ongelijke ladingsverdeling, dat wil zeggen een licht positief uiteinde en een licht negatief uiteinde. In het geval van bevroren water zijn de dipolen van de moleculen stabiel gerangschikt in een kristallijn netwerk.
Wanneer een ander materiaal, zoals een schoen of een ski, in contact komt met dat oppervlak, interageren de dipolen van het ijs en het object. Dit veroorzaakt een verstoring van de orde, waardoor de moleculen ongeorganiseerd raken en in een amorfe toestand terechtkomen. Het is geen vast ijs, maar ook geen vloeibaar water in de conventionele zin. Het is een tussenliggende toestand die zich gedraagt als een ultradunne smeerlaag.
Het team legt het als volgt uit: “De zo glad mogelijk, onmeetbare ijs-ijs-grenslaag vormt lokaal gelaste koude plekken, waar zijwaartse verplaatsing amorficering veroorzaakt zonder warmte of grote normale druk.” Deze amorficering – dat wil zeggen het verlies van de kristallijne orde – vindt plaats zonder dat het ijs zijn smeltpunt hoeft te bereiken.
Wat is amorficering?
Amorficering is het proces waarbij een materiaal zijn geordende kristallijne structuur verliest en verandert in een ongeordende vorm, ook wel bekend als de amorfe toestand. In het geval van ijs betekent dit dat de watermoleculen niet langer regelmatig zijn uitgelijnd, zoals in een kristal, maar overgaan in een chaotische toestand, zonder duidelijk patroon. Deze transformatie betekent niet dat het ijs smelt tot vloeibaar water, maar dat het een tussenvorm aanneemt die fungeert als een smeerlaag op het oppervlak.
De mythe dat je niet kunt skiën bij -40 °C
Een van de meest diepgewortelde overtuigingen, zelfs onder professionele skiërs, is dat je bij temperaturen onder -40 °C niet kunt skiën omdat er dan geen waterlaag ontstaat die nodig is om te glijden. Dit onderzoek toont aan dat ook dat onjuist is. Hoewel de vloeibare laag onder deze extreme omstandigheden stroperiger is – “dikker dan honing”, zoals de auteurs het in hun informatieve nota omschrijven – blijft hij bestaan.
Het relevante is dat deze dunne film niet ontstaat door smelten, maar door de structurele wanorde die wordt veroorzaakt door beweging. Zelfs bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt blijven de dipolaire interacties actief en vormt zich toch een smeerlaag.
Deze ontdekking verandert de benadering om het glijden op ijs onder extreme omstandigheden te begrijpen. Het gaat niet om hoeveel water er bij verhitting ontstaat, maar om hoe de ijsmoleculen zich herschikken wanneer er kracht wordt uitgeoefend, hoe licht ook.
De rol van het materiaal dat in contact komt: niet alles glijdt even goed
Een andere belangrijke bevinding van de studie is dat het type materiaal dat in contact komt met het ijs een aanzienlijke invloed heeft op de wrijving. Simulaties toonden aan dat hydrofobe oppervlakken – oppervlakken die water afstoten – minder wrijving veroorzaken dan hydrofiele oppervlakken.
Dit komt doordat de amorfe structuur van water minder wordt verstoord wanneer het in contact komt met materialen die het niet aantrekken. Als gevolg daarvan blijft de smeerlaag langer stabiel, wat een efficiëntere glijbeweging bevordert. In de woorden van de auteurs: “Naast het interfaciale water moeten de tegenhangers glad en hydrofoob zijn om het ijs zeer lage wrijvingscoëfficiënten te geven”.
Deze ontdekking heeft directe toepassingen in het ontwerp van banden, antislipschoenen en sportuitrusting. Als de wrijving via het materiaal kan worden gemanipuleerd, is het mogelijk om technologieën te ontwikkelen die het risico op vallen aanzienlijk verminderen of de prestaties in de sport verbeteren.
Het is geen warmte, het is verplaatsing
Misschien wel een van de meest contra-intuïtieve aspecten van dit werk is dat ijs gladder wordt naarmate het kouder is. Bij -10 °C bijvoorbeeld heeft amorf ijs een hogere viscositeit dan bij lagere temperaturen. Maar dat betekent niet dat er meer wrijving is. In feite is de amorfiseringssnelheid – het proces dat die gladde laag veroorzaakt – groter wanneer het ijs kouder is.
Dit is in tegenspraak met het idee dat warmte nodig is om ijs te smelten en het glijden te vergemakkelijken. De studie vergelijkt het gedrag van ijs bij -10 °C en bij 10 K (ongeveer -263 °C) en concludeert dat “koudere ijskristallen sneller amorf worden”.
De verklaring hiervoor ligt in de moleculaire mechanica. Bij die temperaturen zijn de moleculen zo stijf dat ze, wanneer er kracht op wordt uitgeoefend, geen tijd hebben om zich te herschikken en gewoon in wanorde raken, waardoor die laag ontstaat die glijden mogelijk maakt.
Een stille revolutie met zeer concrete toepassingen
Hoewel deze ontdekking theoretisch lijkt, heeft ze directe gevolgen voor veel aspecten van het dagelijks leven en de technologie. Van het ontwerpen van banden voor ijzige wegen tot het vervaardigen van ski’s of het ontwikkelen van wrijvingsarme materialen: door het werkelijke mechanisme van het glijden over ijs te begrijpen, kunnen beslissingen worden genomen op basis van echte fysica, en niet op basis van aannames uit de 19e eeuw.
Het nodigt ook uit om te herzien hoe de fysica van ijs op basisonderwijsniveau wordt onderwezen. Het nieuwe bewijs toont aan dat het fenomeen niet voornamelijk afhankelijk is van warmte of druk, maar van structurele en elektrische effecten op microscopisch niveau, die met moderne simulatietools kunnen worden gemodelleerd.
Ten slotte toont deze doorbraak de waarde van fundamentele wetenschap aan. Wat begon als een nieuwsgierigheid naar waarom ijs glad is, heeft uiteindelijk ons begrip van een alledaags fenomeen veranderd. En dat is gebeurd met een onzichtbaar maar krachtig hulpmiddel: computersimulatie op atomair niveau.
