هر زمستان، میلیون‌ها نفر با قدم گذاشتن روی پیاده‌روهای یخی ناگهان سر می‌خورند. تا نسل‌ها تصور می‌شد دلیل این اتفاق ساده است: فشار ناشی از کفش یا اسکی باعث ذوب شدن لایه‌ای نازک از یخ می‌شود که سطح را لغزنده می‌کند. برخی هم نقش اصطکاک را عامل اصلی می‌دانستند.
این توضیح برای بیش از یک قرن در کتاب‌های درسی و ذهن دانشمندان جا افتاده بود. اما پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد واقعیت ماجرا کاملاً متفاوت است.
کشف تازه دانشگاه زارلند
محققان دانشگاه زارلند در آلمان نشان داده‌اند که لغزندگی یخ نه به فشار وابسته است نه به اصطکاک. بلکه این موضوع به تعامل میان دیپل‌های مولکولی در یخ و موادی مانند کف کفش یا سطح اسکی بازمی‌گردد.
این نظریه تازه، یکی از باورهای شکل‌گرفته در قرن نوزدهم را به چالش می‌کشد. همان نظریه‌ای که نخستین بار توسط جیمز تامسون، برادر لرد کلوین مطرح شده بود.
«به نظر می‌رسد نه فشار و نه اصطکاک نقش مهمی در تشکیل لایه مایع روی یخ ندارند.»
— پروفسور مارتین موسر، سرپرست پژوهش
دیپل‌ها چگونه یخ را لغزنده می‌کنند؟
دیپل زمانی شکل می‌گیرد که یک مولکول دارای بار مثبت و منفی نسبی باشد و نوعی قطبیت ایجاد کند. مولکول‌های آب به‌طور طبیعی چنین ویژگی‌ای دارند و در حالت یخ، این مولکول‌ها در ساختاری بلوری کنار هم قرار می‌گیرند.
زمانی که فردی روی یخ قدم می‌گذارد، وزن او عامل اصلی نیست بلکه جهت‌گیری دیپل‌های موجود در کف کفش باعث برهم زدن نظم بلورهای یخ می‌شود. این بی‌نظمی در سطح یخ ایجاد اختلال کرده و ساختار بلوری منظم را به هم می‌زند.
موسر توضیح می‌دهد: «در سه بُعد، این برهم‌کنش‌های دیپل-دیپل دچار نوعی سرخوردگی می‌شوند.»
نتیجه این فرآیند، شکستن شبکه بلوری و ایجاد لایه‌ای بی‌نظم و شبه‌مایع است. همین فیلم نازک، دلیل اصلی لغزندگی یخ محسوب می‌شود.
تئوری‌های قدیمی کنار زده شدند
دهه‌ها تصور می‌شد دلیل حرکت روان اسکی‌بازان یا فشار است که نقطه ذوب را پایین می‌آورد یا گرمای اصطکاک است که لایه‌ای نازک از آب ایجاد می‌کند. اما شبیه‌سازی‌های جدید نشان داده‌اند یخ بدون گرما یا فشار هم می‌تواند وارد حالت آمورف (بی‌نظم و شبه‌مایع) شود.
این تغییر ساختاری به دلیل جابه‌جایی مولکول‌ها در شبکه بلوری رخ می‌دهد. مولکول‌ها از جای ثابت خود خارج می‌شوند و در آرایش‌هایی ناپایدار و سیال‌گونه قرار می‌گیرند. جالب اینجاست که یخ در دماهای بسیار پایین حتی سریع‌تر از یخ نزدیک به نقطه ذوب دچار این فرآیند می‌شود.
لغزندگی در سرمای شدید
یکی دیگر از باورهای قدیمی این بود که اسکی در دمای زیر منفی ۴۰ درجه غیرممکن است، زیرا تصور می‌شد دیگر لایه مایع زیر اسکی تشکیل نمی‌شود. اما پژوهش‌های جدید خلاف این را نشان داده‌اند.
موسر می‌گوید: «حتی در نزدیکی صفر مطلق نیز برهم‌کنش‌های دیپل ادامه دارند و لایه مایع در سطح یخ و اسکی شکل می‌گیرد.»
البته در این دماها، این لایه چنان چگال است که بیشتر شبیه عسل می‌شود و اسکی عملی نخواهد بود، اما وجود آن غیرقابل انکار است.
اهمیت جنس سطح
پژوهش دانشگاه زارلند نشان می‌دهد که ویژگی سطح تماس نیز نقش تعیین‌کننده‌ای دارد. سطوح آب‌گریز (دافع آب) اصطکاک کمتری نسبت به سطوح آب‌دوست (جاذب آب) ایجاد می‌کنند.
این بدان معناست که جنس اسکی، اسکیت یا کفش‌ها در میزان لغزندگی بسیار مؤثر است. حتی زمانی که لایه‌های بی‌نظم شکل گرفته باشند، میزان اصطکاک تنها در صورتی پایین می‌ماند که سطح تماس اجازه دهد آب به راحتی حرکت کند.
بازنگری در تصور ما از یخ لغزنده
در زندگی روزمره، شاید مهم نباشد که چرا روی یخ سر می‌خوریم. اما برای علم فیزیک، تفاوت میان فشار، اصطکاک و دیپل‌ها اهمیت بنیادی دارد.
کار موسر و همکارانش اشرف عطیلا و سرگئی سوخوملینوف نشان می‌دهد که لغزندگی یخ ناشی از بی‌نظمی است، نه صرفاً ذوب شدن. یخ می‌تواند حتی در سردترین دماها خود را «روان‌ساز» کند.
این کشف دریچه‌ای تازه به درک ما از چگونگی تغییر شکل مواد، ماهیت اصطکاک در سطح مولکولی، و نقش بی‌نظمی ساختاری در حرکت و انرژی باز می‌کند.
مقاله کامل این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
نتیجه‌گیری: بازتعریف نگاه ما به یخ
یخ تنها یک سطح سرد و سخت نیست، بلکه محیطی پویا با قوانین پیچیده مولکولی است. درک این واقعیت می‌تواند به طراحی تجهیزات ورزشی، وسایل نقلیه و حتی کفش‌های ایمن‌تر کمک کند.
شاید بار بعدی که روی پیاده‌روی یخی قدم می‌زنید و ناگهان سر می‌خورید، به جای نفرین کردن هوا، به یاد بیاورید که مولکول‌ها و دیپل‌ها در حال بازی با تعادل شما هستند!
