IJs is glad. Dat weet iedereen. Maar er is al meer dan een eeuw discussie over wat die gladheid veroorzaakt. Nu hebben Nederlandse en Duitse onderzoekers aangetoond dat de gladheid ontstaat doordat het bovenste laagje watermoleculen over de rest van het ijs kan rollen.
Halverwege de negentiende eeuw hield de Britse natuurkundige Michael Faraday zich al bezig met de gladheid van ijs. Hij dacht dat dit kwam doordat op het oppervlak van ijs een dun laagje water ligt waar je makkelijk overheen glijdt.
Dat laagje water zou ontstaan door de wrijving van bijvoorbeeld een schaats met het ijs. Door de warmte die daarbij vrijkomt zou een laagje ijs smelten.
Gasachtig ijslaagje
Volgens Daniel Bonn is het waterlaagje geen goede verklaring voor de gladheid. Bonn is hoogleraar complexe vloeistoffen aan de Universiteit van Amsterdam. Samen met zijn broer Mischa Bonn, hoogleraar bij het MPIP in Mainz, leidde hij het onderzoek. ‘Een weg met een bevroren laagje ijs is gladder dan een nat wegdek, dus ik denk niet dat het waterlaagje gladheid veroorzaakt’, zegt hij.
‘Volgens ons onderzoek is het bovenste laagje van ijs niet te vergelijken met een waterlaagje, maar gedraagt het zich als een soort tweedimensionaal gas’, zegt Bonn. Hij vergelijkt het met een vloer waar kogeltjes op liggen. Die kunnen onafhankelijk van elkaar rollen, zoals gasmoleculen dat ook doen. En over een vloer met kogeltjes glij je verdomd snel uit.
Moleculaire simulaties
Voor hun onderzoek maten de wetenschappers de wrijving tussen een stalen bal en ijs. Ze varieerden de temperatuur van het ijs van -100°C tot 0°C en zagen dat de wrijving toeneemt als de temperatuur daalt. Over ijs van -100°C glij je dus minder makkelijk dan over ijs van -15°C. De wrijving is minimaal bij -7°C. Daarboven wordt het ijs zacht waardoor het glijden minder makkelijk gaat.
Vervolgens simuleerden de onderzoekers met computermodellen het ijsoppervlak op moleculair niveau bij verschillende temperaturen. Daaruit bleek dat er twee soorten moleculen aan het oppervlak zitten: moleculen die met drie verbindingen (waterstofbruggen) vastzitten aan de rest van het ijs en mobiele moleculen, die veel minder stevig vastzitten. De mobiele moleculen kunnen als losse kogeltjes over het ijs rollen. En ook hier zagen de onderzoekers een temperatuurafhankelijkheid: hoe kouder het ijs, hoe minder mobiele moleculen.
Deze resultaten van de simulaties kwamen bovendien overeen met eerdere spectroscopische metingen aan de watermoleculen aan het oppervlak van ijs.
‘Dat het gedrag van de moleculen aan het oppervlak dezelfde temperatuurafhankelijkheid heeft als de wrijving is voor ons echt een smoking gun’, zegt Bonn. De onderzoekers concluderen daarom dat de mobiele moleculen aan het oppervlak ervoor zorgen dat ijs glad is.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: