چرا یخ زیر صفر هم لغزنده است؟ راز ۱۶۶ ساله بالاخره فاش شد
بیش از یک قرن و نیم پیش، مایکل فارادی فیزیکدان برجسته انگلیسی، به پدیدهای عجیب درباره یخ اشاره کرد؛ پدیدهای که تا امروز ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود. او متوجه شد که سطح یخ حتی زمانی که دمای آن همچنان زیر صفر درجه سانتیگراد است، رفتاری شبیه مایع دارد. این لایه نازک و نامرئی که بعدها «یخ پیشذوبشده» (Premelted Ice) نام گرفت، عامل اصلی لغزندگی یخ محسوب میشود؛ اما توضیح دقیق علمی آن بیش از ۱۶۶ سال نامشخص مانده بود.
اکنون پژوهش جدیدی که در مجلههای علمی معتبر بازتاب یافته و توسط IFLScience گزارش شده، موفق شده است این معمای قدیمی را بهطور دقیق توضیح دهد. بر اساس این تحقیق، آنچه یخ را لغزنده میکند صرفاً فشار پا، اصطکاک یا ذوبشدن معمولی نیست؛ بلکه ساختار مولکولی لایه بسیار نازکی از آب است که روی سطح یخ شکل میگیرد.
دانشمندان توضیح میدهند که مولکولهای آب در سطح یخ، برخلاف مولکولهای درون ساختار یخ، پیوندهای هیدروژنی کامل و پایدار ندارند. این نقص در پیوندها باعث میشود که مولکولهای سطحی تحرک بیشتری داشته باشند. نتیجه این اتفاق، تشکیل لایهای فوقنازک و شبهمایع است که حتی در دماهای کاملاً زیر صفر هم باقی میماند.
نکته مهم این است که این لایه، «آب ذوبشده معمولی» نیست. بلکه حالتی میانی بین جامد و مایع دارد؛ لایهای که آنقدر نازک است که با چشم یا حتی بسیاری از ابزارهای قدیمی قابل مشاهده نبود. به همین دلیل، دههها فرضیههای مختلفی مطرح شد؛ از فشار اسکیت روی یخ گرفته تا گرمای اصطکاک. اما هیچکدام نتوانستند توضیح دهند چرا یخ حتی بدون تماس یا فشار هم میتواند لغزنده باشد.
پژوهش جدید با استفاده از شبیهسازیهای پیشرفته مولکولی و مدلهای فیزیکی دقیق نشان میدهد که خودِ سطح یخ ذاتاً ناپایدارتر از درون آن است. این ناپایداری مولکولی دقیقاً همان چیزی است که فارادی در قرن نوزدهم بهشكل شهودی به آن اشاره کرده بود؛ بدون اینکه ابزار لازم برای اثباتش را داشته باشد.
اهمیت این کشف فقط به پاسخ دادن به یک کنجکاوی علمی محدود نمیشود. درک بهتر رفتار سطح یخ میتواند کاربردهای مهمی در حوزههایی مانند:
- ایمنی جادهها و باندهای فرودگاهی
- طراحی کفشها و تجهیزات زمستانی
- فناوریهای مرتبط با یخ در فضا و سیارات یخی
- علم اقلیم و پدیدههای یخبندان
داشته باشد.
به بیان سادهتر، چیزی که ما در کودکی با سر خوردن روی یخ تجربه میکردیم، حاصل تعامل بسیار پیچیدهای در مقیاس اتمی است؛ تعاملی که توضیح آن بیش از یک قرن زمان برده است.
در نهایت، این پژوهش نهتنها معمای قدیمی فارادی را حل میکند، بلکه یادآور این نکته است که حتی پدیدههای کاملاً روزمره، میتوانند لایههایی عمیق و حلنشده در دل خود داشته باشند.