Neue Ansätze zur Klärung der Frage, warum Eis rutschig ist

Kompatible Hypothesen, die den Weg für Energieeinsparungen ebnen

14.12.2022 - Spanien

Die Oberfläche des Eises schmilzt bei Kontakt mit einem Festkörper und bildet eine Schmierschicht, die sich selbst erhält, je mehr Gewicht und Schlupf auf sie einwirken. Dieses kooperative Phänomen macht das Eis rutschiger und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Unfällen beim Schlittschuhlaufen oder mit dem Auto kommt, so eine internationale Forschungsarbeit unter Leitung der Universität Complutense Madrid (UCM).

In dieser Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht wurde, haben die Forscher eine Computersimulation durchgeführt, die zeigt, wie ein Festkörper auf atomarer Ebene über die Eisoberfläche gleitet.

"Unsere Analyse der kollektiven Organisation der Eismoleküle, die ihnen ihre besondere Gleitfähigkeit verleiht, bietet uns einen privilegierten Einblick in den Prozess, der mit herkömmlichen Experimenten nicht erreicht werden kann, da es sehr schwierig ist, eine Gleitschicht mit einer Dicke von einem Milliardstel Meter experimentell zu beobachten", betont Luis González MacDowell, Forscher an der Abteilung für Physikalische Chemie der UCM.

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Die glatten Eigenschaften des Eises wurden in einigen Fällen zu Freizeitzwecken (z. B. beim Schlittschuhlaufen) und in anderen als Transportmittel genutzt.

"Es ist wichtig, den Ursprung dieser weithin bekannten Eigenschaft des Eises zu verstehen, sowohl um die Leistungen der olympischen Athleten zu verbessern, als auch um die Sicherheit der Fahrzeuge im Winter zu gewährleisten", so der Experte.

An der Studie sind neben der UCM auch die Autonome Universität Madrid (UAM) und die Marie-Curie-Skłodowska-Universität (MCSU) in Lublin (Polen) beteiligt.

Kompatible Hypothesen, die den Weg für Energieeinsparungen ebnen

Zwei Jahrhunderte lang haben sich Wissenschaftler gefragt, warum Eis rutschig ist und was die Flüssigkeitsschicht verursacht, die sich auf dem Eis bildet. Im Laufe der Jahrzehnte haben Persönlichkeiten wie Michael Faraday, James Thomson, Osborne Reynolds und Philip Browden abweichende Hypothesen aufgestellt.

Diese Studie hat jedoch gezeigt, dass sie in Wahrheit miteinander vereinbar sind und gleichzeitig funktionieren. "Wir haben herausgefunden, dass die wichtigsten Prinzipien für die Glätte von Eis das von Faraday vorgeschlagene Phänomen des Schmelzens an der Oberfläche, das allmähliche Schmelzen durch Druck, das an die Hypothese von Thomson erinnert, und das Schmelzen durch Reibung, wie es von Bowden vorgeschlagen wurde, sind", erklärt der Chemiker der UCM.

Diese Kombination von Faktoren verleiht der Oberfläche des Eises eine außergewöhnliche selbstreparierende Schmierschicht. "Das Problem bei der Schmierung besteht darin, dass bei steigendem Druck das Schmiermittel zwischen den gegenüberliegenden Flächen verdrängt wird, so dass diese in direktem Kontakt bleiben. Bei Eis funktioniert das Prinzip von Le Chatelier: Wenn die Schmierschicht durch den Druck verdrängt wird, schmilzt das Eis selbst und repariert den Verlust", erklärt Lukasz Baran, Forscher an der MCSU, der während eines sechsmonatigen Praktikums an der UCM an der Simulationstechnik gearbeitet hat.

Abgesehen von der Verhinderung von Sport- und Verkehrsunfällen könnten die Ergebnisse dieser Studie auch bei der Entwicklung besserer Schmiermittel für andere Systeme Anwendung finden.

"Es ist wichtig, daran zu denken, dass mehr als die Hälfte der weltweit erzeugten Energie durch Reibung verloren geht. Verbesserte Schmierverfahren würden eine enorme Einsparung an Kraftstoff, Geld und Umweltbelastung bedeuten", schließt Pablo Llombart, Forscher am Nicolás-Cabrera-Institut der UAM.

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