Det vet vi alle isen er glattog mange tror de også vet hvorfor: vekten av kroppen vår utøver press på isen (større hvis vi er på skøyter), som lokalt smelter isen og danner en tynt lag flytende vann som du glir på. I flere tiår trodde folk på denne fullstendig logiske og fornuftige forklaringen: det er synd at det er uriktigeller bedre ufullstendig. Den virkelige forklaringen er mer raffinert og kanskje nettopp av denne grunn mer fascinerende: den har å gjøre med det faktum at isens overflate verken er fast eller flytende, men kvasi-væske.
Den klassiske forklaringen på hvorfor vi glir på is fungerer ikke
Ideen om at trykk smelter is er helt plausibel og basert på solide vitenskapelige fakta. Det er faktisk sant at vann utvider seg når det fryser, så å komprimere det når det er frosset har en tendens til å returnere det til flytende tilstand. Teknisk sett kan vi si at presset senker smeltetemperaturen til isog dermed tillate et overflatelag å bli flytende selv ved temperaturer lave nok til å forbli fast i fravær av trykk. Problemet er at med beregninger i hånden, holder ikke denne forklaringen mål.
La oss regne ut. En person av 70 kg med skøyter hvis blader hviler på isen i et overflateareal på ca 0,5 cm² (Og Veldig lite, men vi ønsker å være optimistiske) utøver et press på ca 135 atmosfærer: nok, i teorien, til å senke smeltepunktet for is med ca. 1°C. Så effekten er der, men du har sikkert lagt merke til at isen er glatt selv uten skøyter. Vi glir også på is med vanlige sko, det vil si når vi utøver et trykk som er mye lavere enn det som er nødvendig for å bringe smeltepunktet til bare –1 °C. Men det er mer: isen er glatt selv ved svært lave temperaturer. For eksempel på –30°C det ville kreve et enormt press for å smelte isen, og likevel – hvis du noen gang har vært i høyfjellet om vinteren, har du lagt merke til det – ved de temperaturene er isen glatt.
Vi kan tenke oss en alternativ forklaring: når skateren skyver bladet på isen, friksjon produserer en tilstrekkelig mengde varme å smelte et tynt overflatelag som tillater glidning. Denne hypotesen er også helt logisk og fornuftig, men den forklarer ikke hvorfor isen er glatt selv når vi praktisk talt står på den.
Den virkelige vitenskapelige grunnen: overflaten kvasi-flytende lag
Det riktige svaret er mer overraskende: På overflaten av isen er det alltid et lag med vannmolekyler i en mellomtilstand mellom fast og flytende, uavhengig av ytre trykk eller temperatur. Dette laget, kalt på engelsk kvasi-flytende lag («kvasi-flytende lag») har en tykkelse på rundt 70 nanometer – milliondeler av en millimeter – like under 0 °C, og noen få nanometer ved –30 °C. Det er svært lite, men nok til å gjøre isens overflate mindre «fast» på molekylær skala enn isen selv.
Grunnen til at dette laget eksisterer har å gjøre med isens molekylære struktur. Inne i en iskrystall er hvert vannmolekyl omgitt av andre molekyler som det dannes med hydrogenbindinger i alle retninger. Molekylene på overflaten er imidlertid i en vanskelig posisjon: de har bare bindinger nedover og mot sidene, men ikke oppover. Denne asymmetrien destabiliserer dem, og gjør dem mer mobile og uordnete enn de interne. Fra dette synspunktet befinner vi oss derfor her i en situasjon som ligner mer på en væske enn et fast stoff.
Dette fenomenet ble først antatt av den britiske fysikeren Michael Faraday allerede inne 1859 (en av de største vitenskapelige hjernene i sin tid), men i lang tid forble det kontroversielt og vanskelig å bevise eksperimentelt. Først på 1990-tallet, takket være avanserte mikroskopiteknikker, var fysikere i stand til å observere det kvasi-væske laget direkte og måle dets egenskaper. Reduksjonen i tykkelsen på det halvflytende laget når temperaturen synker forklarer også hvorfor jo kaldere isen er, jo mindre glatt er den. Det samme prinsippet forklarer hvorfor jeg isbreer de er i stand til å strømme sakte over de underliggende bergartene: ved bunnen av breen, hvor trykket er enormt og temperaturen relativt høy, dannes det et lag med flytende vann som fungerer som et naturlig smøremiddel mellom isen og bakken.
Advarsel: dette er ikke den eneste forklaringen på hvorfor folk glir på isen. Trykk og friksjon spiller absolutt en rolle, spesielt når det gjelder skøyteløpere. Men vi kan si at forklaringen fullstendig det krever også å ta hensyn til den komplekse molekylstrukturen til den frie overflaten av isen.
Så neste gang noen forklarer deg at skøyter fungerer fordi vekt får isen til å smelte, kan du svare at saken er litt mer komplisert, og at for å forstå grunnen til noe så tilsynelatende trivielt måtte det mellom Faraday og moderne mikroskoper, nesten hundre og femti år!
