Tại sao băng lại trơn?

Đối với những người sống ở vùng khí hậu lạnh hơn, băng trơn định nghĩa mùa đông: trên sân trượt băng, mặt hồ đóng băng cũng như trên những con đường và vỉa hè trơn trượt nguy hiểm.

Nhưng tại sao băng lại trơn như vậy?

Hóa ra các nhà khoa học thực sự không biết câu trả lời cho câu hỏi đơn giản đó cho đến gần đây. Nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng độ trơn của băng có thể là do các phân tử “thừa” trên bề mặt băng.

Những lý thuyết cũ không còn ý nghĩa

Vì băng nhẹ hơn nước lỏng nên điểm nóng chảy của nó giảm xuống dưới áp suất cao. Một lý thuyết lâu đời cho rằng đây là nguyên nhân khiến băng trơn trượt: Khi bạn dẫm lên nó, áp lực của trọng lượng cơ thể khiến lớp trên cùng tan thành nước.

Mischa Bonn, giám đốc bộ phận quang phổ phân tử tại Viện nghiên cứu polymer Max Planck ở Đức, nói với Live Science: “Tôi nghĩ mọi người đều đồng ý rằng điều này không thể xảy ra”. “Áp lực sẽ rất lớn, thậm chí bạn không thể đạt được điều đó bằng cách đặt một con voi lên giày cao gót”.

Một giả thuyết khác cho rằng nhiệt sinh ra do ma sát khi bạn di chuyển trên băng sẽ tạo ra lớp nước. Tuy nhiên, băng không chỉ trơn khi bạn di chuyển, như bất cứ ai lần đầu thử đứng trên giày trượt băng đều nhanh chóng nhận ra.

Ngay cả khi áp suất hoặc ma sát làm tan băng, liệu một lớp nước có thể giải thích được hiện tượng trơn trượt không? Daniel Bonn, một nhà vật lý tại Đại học Amsterdam ở Hà Lan, không nghĩ như vậy.

Bonn nói với Live Science: “Lý thuyết về lớp nước không có nhiều ý nghĩa. “Nếu đổ một ít nước xuống sàn bếp, nó sẽ trơn nhưng không trơn lắm… Chỉ một lớp nước thôi cũng không được”.

Phân tử lỏng lẻo

Anh em nhà Mischa và Daniel Bonn, đã xuất bản một bài báo vào ngày 9 tháng 5 trên Tạp chí Vật lý Hóa học mô tả bề mặt của băng. Họ nhận thấy thay vì có một lớp nước lỏng trên bề mặt băng, thì lại có những phân tử nước lỏng lẻo. Mischa Bonn so sánh nó với một sàn nhảy "chứa đầy những viên bi hoặc ổ bi." Trượt trên bề mặt băng chỉ đơn giản là "lăn" trên những viên bi phân tử này.

Nước đá có cấu trúc tinh thể rất đều đặn, gọn gàng, trong đó mỗi phân tử nước trong tinh thể được gắn với ba phân tử khác. Tuy nhiên, các phân tử trên bề mặt chỉ có thể được gắn vào hai phân tử khác. Việc liên kết yếu với tinh thể cho phép các phân tử bề mặt này nhào lộn, gắn và tách ra khỏi các vị trí khác nhau trên tinh thể khi chúng di chuyển.

Mặc dù trượt trên băng về cơ bản là do các phân tử nước lăn qua các phân tử nước này, nhưng lớp phân tử này không giống như một lớp nước lỏng. Những phân tử này và tính trơn trượt tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng của nước. Trên thực tế, cách các phân tử này di chuyển tự do và khuếch tán trên bề mặt thực sự khiến chúng trông giống chất khí hơn, Daniel Bonn nói.

Ông nói với Live Science: “Đối với tôi, đó là chất khí – chất khí hai chiều chứ không phải chất lỏng ba chiều”.

Nhưng nếu băng trơn do các phân tử bề mặt lỏng lẻo thì băng có đặc biệt trơn không? Không thực sự như vậy, Martin Truffer, giáo sư vật lý tại Đại học Alaska Fairbanks, cho biết. Ông nói, không phải bản chất của băng là độc nhất mà là mối quan hệ của chúng ta với nó.

Truffer nói với Live Science: “Điều bất thường về băng là chúng ta thường bắt gặp nó ở rất gần điểm tan chảy”. “Nó thực sự là vật liệu duy nhất mà chúng ta có pha khí, pha lỏng và pha rắn trong phạm vi khí hậu bình thường mà chúng ta đang sống.”

Truffer, sống ở Fairbanks, Alaska, đã trải nghiệm băng rất xa so với điểm tan chảy: Khi nhiệt độ xuống tới âm 40 độ F (âm 40 độ C), ông nói, tuyết "trở nên giống như giấy nhám". Quan sát của Truffer phù hợp với những gì gia đình Bon tìm thấy. Ở nhiệt độ cực thấp, các phân tử trên bề mặt không có nhiều năng lượng để phá vỡ và tạo liên kết khi chúng lăn xung quanh, do đó băng trở nên không trơn trượt.

Theo dữ liệu nghiên cứu của họ, nhiệt độ để giày trơn trượt tối đa là khoảng 19 độ F (âm 7 độ C).

Nhưng một số người đã biết điều đó rồi; đó là nhiệt độ mà hầu hết các sân trượt băng tốc độ trong nhà đã sử dụng trong nhiều năm.