Wintersporten zoals skiën, schaatsen, figuurschaatsen, en curling vereisen de gladde oppervlakken van ijs en sneeuw. Hoewel het feit dat het ijsoppervlak glad is algemeen wordt erkend, het is verre van volledig begrepen. In 1886 John Joly, een Ierse natuurkundige, bood de eerste wetenschappelijke verklaring voor lage wrijving op ijs; wanneer een object - d.w.z. een schaats - het ijsoppervlak raakt, is de lokale contactdruk zo hoog dat het ijs smelt, waardoor een vloeibare waterlaag ontstaat die het glijden smeert. De huidige consensus is dat hoewel vloeibaar water aan het ijsoppervlak de glijdende wrijving op ijs vermindert, dit vloeibare water wordt niet gesmolten door druk, maar door wrijvingswarmte die ontstaat tijdens het glijden.

Een team van onderzoekers onder leiding van de broers Prof. Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam en Prof. Mischa Bonn van MPI-P, hebben nu aangetoond dat wrijving op ijs complexer is dan tot nu toe werd aangenomen. Door macroscopische wrijvingsexperimenten bij temperaturen van 0 °C tot -100 °C laten de onderzoekers zien dat - verrassend genoeg - het ijsoppervlak transformeert van een extreem glad oppervlak bij typische wintersporttemperaturen, op een oppervlak met hoge wrijving bij -100 °C.

Om de oorsprong van deze temperatuurafhankelijke gladheid te onderzoeken, de onderzoekers voerden spectroscopische metingen uit van de toestand van watermoleculen aan het oppervlak, en vergeleek deze met moleculaire dynamica (MD) simulaties. Deze combinatie van experiment en theorie laat zien dat er twee soorten watermoleculen bestaan ​​aan het ijsoppervlak:watermoleculen die vastzitten aan het onderliggende ijs (gebonden door drie waterstofbruggen) en mobiele watermoleculen die zijn gebonden door slechts twee waterstofbruggen. Deze mobiele watermoleculen rollen continu over het ijs - als kleine bolletjes - aangedreven door thermische trillingen.

Naarmate de temperatuur stijgt, de twee soorten oppervlaktemoleculen worden in elkaar omgezet:het aantal mobiele watermoleculen wordt vergroot ten koste van watermoleculen die aan het ijsoppervlak zijn bevestigd. Opmerkelijk, deze temperatuurgedreven verandering in de mobiliteit van de bovenste watermoleculen aan het ijsoppervlak past perfect bij de temperatuurafhankelijkheid van de gemeten wrijvingskracht:hoe groter de mobiliteit aan het oppervlak, hoe lager de wrijving en vice versa. De onderzoekers concluderen daarom dat - in plaats van een dun laagje vloeibaar water op het ijs - de hoge mobiliteit van de oppervlaktewatermoleculen verantwoordelijk is voor de gladheid van ijs.

Hoewel de mobiliteit van het oppervlak blijft toenemen tot 0 °C, dit is niet de ideale temperatuur om op ijs te glijden. Uit de experimenten blijkt dat de wrijving bij -7 °C juist minimaal is; op schaatsbanen wordt exact dezelfde temperatuur opgelegd. De onderzoekers laten zien dat bij temperaturen tussen -7 °C en 0 °C, glijden is moeilijker omdat het ijs zachter wordt, waardoor het glijdende object dieper in het ijs graaft.

De resultaten worden gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters .