Uanset om det er som frost på fortovet eller en glat, en gennemsigtig isterning, klæber is spontant og endda ret kraftigt til mange faste overflader. Men som alle, der er gledet på et isglat fortov, kan bevidne, kan is også være meget glat. Faktisk kan is både klæbe og være glat.
Disse to egenskaber - adhæsion og glathed - har længe undret forskerne, som ihærdigt har forsøgt at afsløre hemmeligheden bag isens glathed i mere end 150 år - blandt andet de berømte fysikere Lord Kelvin og Michael Faraday.
Michael Faraday, som nok er bedre kendt for sine banebrydende opdagelser inden for elektromagnetisme, var den første til at forestille sig et tyndt lag flydende vand, der dækker isen, selv et godt stykke under 0°C.
Han ræsonnerede, at dette lag fungerede som et smøremiddel, når et fast legeme kommer i kontakt med overfladelaget, hvilket reducerer gnidningsmodstanden på isen markant. Mere end et århundrede senere bekræftede eksperimenter, at dette lag væske rent faktisk eksisterer.
Det glatte lag
For at løfte sløret for hvorfor is er glat, skal vi først forstå, hvordan dette tynde lag flydende vand på den frosne overflade er blevet til.
Fordi flydende vand har højere tæthed (densitet) end is, troede man længe, at afsmeltningen af isens overflade var forbundet med et meget højt tryk – for eksempel en skøjteløbers vægt på et lille underliggende overfladeareal. Ved at komprimere isen yderligere får skøjteløberen isen til at smelte, hvilket gør den flydende og glat.
En anden teori lyder, at varme bliver frigivet ved friktion, når et objekt bevæger sig på isen, hvilket får overfladen til at smelte - lidt som når vi gnider hænderne sammen for at varme dem, eller når et fast stof bliver varmt, hvis vi gnider det mod et andet fast stof.
\ Læs også
Men disse to mekanismer forklarer ikke, hvorfor isen stadig er glat, selvom temperaturen ligger på minus 20°C. Ved sådanne temperaturer vil det kræve et betydeligt tryk - omkring 500 gange større end en skøjteløber - for at få isen til at smelte.
I 1960'erne, mere end et århundrede efter Faraday, trak J.W. Telford og J.S. Turner langsomt et kabel gennem 'kold' is (under -20°C), og de fandt, at isen forblev glat helt ned til minus 35°C, hvorefter varmen frigivet ved friktion ikke længere var tilstrækkelig til at smelte isen.
Det var kun omkring et århundrede efter Faradays intuitive teori om, at man kan demonstrere dette væskelag indirekte ved at måle en værdi, der er specifik for overfladen og ikke massefylde, som er næsten sammenlignelig med flydende vand.
Teknikker, der gør brug af proton- eller røntgenspredning, som normalt bruges til at studere krystallers struktur, har gjort det muligt at estimere overfladetykkelsen til mellem et og flere hundrede nanometer. En del studier foreslår endda, at denne tykkelse afviger, når temperaturen nærmer sig 0°C.
For nylig har simuleringer gjort det muligt at illustrere dette væskelags struktur mere nøjagtigt. Siden da er dette lag blevet omtalt som 'pseudo-væske' eller 'kvasi-væske' for at differentiere det fra den faktiske væskefase. Dette teoretiske arbejde har vist, at molekylerne i overfladelaget er i stand til at bevæge sig mere frit, hvilket bekræfter deres funktion som smøremiddel.
Den molekylære struktur er dog ikke helt den samme som i flydende vand, hvilket har konsekvenser for de mekaniske egenskaber af dette pseudo-flydende lag.
Ikke isens tykkelse, men molekylerne der er afgørende
Et nyligt studie viser en stærk korrelation mellem molekylernes individuelle mobilitet og den såkaldte makroskopiske friktionskoefficient (jo lavere koefficient, desto lettere er det at glide). Kort og godt indikerer studiet, at det egentlig ikke er islagets tykkelse, der betyder noget for glidningen, men derimod molekylernes individuelle bevægelser.
Minimumsværdien af friktionskoefficienten er målt til minus 7°C, hvilket også er den optimale temperatur for skiløbere og skøjteløbere.
Anden forskning skærer lige ind i pseudo-væskelaget ved hjælp af atomar kraftmikroskopi, som er en type mikroskopi, der laver billeder af overflader ved hjælp af en spids nål, der trækkes hen over overfladen.
Ved at vibrere denne spidse nål forbundet til en ekstremt præcis sensor og så måle friktionen mellem spidsen og væsken i laget, beregnede forskerne, at væsken kan være 50 gange mere tyktflydende end flydende vand, og at den også besidder elasticitet (en egenskab som i højere grad er associeret med den faste tilstand).
Denne viskositet, altså en væskes evne til at flyde ud, minder om spiseoliers viskositet, hvilket gør det pseudoflydende lag til et fremragende smøremiddel.
For at opsummere: Is er glat, fordi der dannes et væskelag på omkring 1 til 100 nanometer på overfladen. Det er isens mekaniske egenskaber (viskositet, elasticitet), som er forskellig fra flydende vands, og molekylernes mobilitet, som er meget større end i fast is, der skaber de exceptionelle smørende egenskaber.
Hvad med isens adhæsion?
Isens adhæsion, altså 'klæbrighed', giver dog fortsat forskerne grå hår i hovedet på trods af 70 års eksperimenter og for at teste det, gør de brug af et enkelt udstyr: Et stempel koblet til en sensor, der måler kraft, skubber en isblok, som så klæber til en fast genstand.
Når isterningen 'river sig løs', bliver kraften registreret af sensoren pludselig nul, og den maksimale værdi før denne løsrivelse måles. Men resultaterne har til tider vist modstridende resultater og en ret bred spredning.
En nylig gennemgang af emnet konkluderede, at isens adhæsionskraft: »....ikke blot afhænger af den kemiske sammensætning, overfladens ruhed, mekaniske og termiske egenskaber af substratet, [men] også af temperaturen og endda af den eksperimentelle enhed til måling af adhæsionen«.
\ Læs også
For at være lidt mere præcis, når vi udforsker litteraturen om emnet over de sidste 60 år, bemærker vi, at hvor meget, is klæber til et fast stof, i høj grad afhænger af temperaturen i et område mellem -20°C og 0°C (is klæber mere til et koldere fast stof).
Den rolle, som overfladens ruhed spiller, er ambivalent: For visse faste stoffer (især metaller) er isens adhæsion stærkere ved et mere ru underlag, hvorimod det på visse typer plastik er omvendt. På et kemisk niveau kan flydende vand spredes bedre på visse overflader end andre.
For eksempel spredes vand rigtig godt på rent glas, mens andre overflader er hydrofobe (vandskyende), som for eksempel teflon. Et nyligt studie viser, at jo mere vand i flydende tilstand spreder sig over overfladen af et fast stof, desto mere vil isen klæbe til dette faste stof.
Omvendt vil en overflade med ringe affinitet, altså tilbøjelighed til at reagere med hinanden, til flydende vand også have ringe adhæsion til is. Men hvorfor er der dette forhold mellem spredning af vand og isens adhæsion?
For det første, skal vandet i flydende tilstand være i stand til at fryse ved kontakt med det faste stof, for at isen kan klæbe til et koldt fast stof.
Her er et simpelt eksperiment, som alle kan lave:
- Læg en metalplade i fryseren eller i en isterningbakke.
- Tag en isterning og læg den på metalpladen uden at tage det hele ud af fryseren: Isen sætter sig ikke fast.
- Tag endnu en isterning og lad den smelte lidt ved stuetemperatur (ved for eksempel at tage den ud af fryseren i et par sekunder), og læg den derefter på den kolde metalplade. Denne gang sidder isterningen fast!
Så hvad kan vi konkludere? Intuitivt gælder det, at jo større tilbøjelighed vandet har til at reagere med overfladen, desto lettere siver det flydende vand ind i ruheden og hullerne på overfladen af det faste stof, hvilket øger kontaktfladen mellem stoffet og isen efter størkning og styrker således 'hæftningen'.
Dette eksperiment demonstrerer også flydende vands rolle som klæbemiddel. Når man bruger et konventionelt klæbemiddel – for eksempel flydende lim – til at lime to dele sammen, er det, når delene størkner (ved fordampning af et opløsningsmiddel i limen), at den stærke, endelige 'hæftning' finder sted.
Det samme sker, når flydende vand afkøles ved kontakt med et koldt fast stof og størkner. Laget af frosset vand spiller så rollen som et af de faste stoffer.
Hvordan kan isen gøres mindre klæbende?
Vi kan ikke forklare isens adhæsion i detaljer, men vi kan forsøge at reducere dens styrke.
Det gør non-stick-belægninger ved at sprede kemiske mikrostrukturer på objektets overflade i et forsøg på at holde vandet på overfladen.
Problemet er, at vand også kan trænge ind i disse strukturer, hvis overfladen har defekter.
Mere lovende løsninger tæller blandt andet at sprede et tyndt lag olie eller en hydrogel over overfladen, men der er stadig problemer med stabiliteten over store områder.
En anden tilgang er at bruge aktive af-isningsmetoder; for eksempel en teknik, der gør brug af overflade-ultralyd, som genererer 'mikrojordskælv' på den faste overflade, og som kan få isen til at 'give slip'. Vi studerer i øjeblikket denne metode i vores laboratorium.
Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.
