Vì sao băng trơn trượt? Các nhà khoa học vừa lật ngược giả thuyết suốt 2 thế kỷ

Suốt gần hai thế kỷ qua, giới khoa học vẫn tin vào giả thuyết từ thế kỷ 19 rằng áp suất và ma sát tạo ra nhiệt làm tan bề mặt băng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của giáo sư Martin Müser đã sử dụng mô phỏng phân tử để chứng minh điều ngược lại. Kết quả cho thấy lớp màng trơn trượt hình thành thông qua quá trình "vô định hình hóa do dịch chuyển ở nhiệt độ lạnh" mà không cần tan chảy nhiệt động lực học.

Phát hiện chấn động ở cấp độ phân tử giải mã bí ẩn trơn trượt của băng.

Về bản chất, khi một vật liệu tiếp xúc với băng, các lưỡng cực phân tử mang điện tích ở hai bề mặt sẽ bắt đầu tương tác với nhau. Những tương tác này rơi vào trạng thái "bất toại" (frustration), ngăn cản cấu trúc duy trì trật tự tinh thể vốn có của băng dưới 0 độ C. Hệ quả là các phân tử trên bề mặt bị phá vỡ cấu trúc quy củ và tự động chuyển thành một lớp vô định hình tựa chất lỏng.

Mô phỏng cũng làm sáng tỏ việc xuất hiện lớp màng giống chất lỏng không đồng nghĩa với việc lực ma sát động học luôn ở mức rất thấp. Để trượt dễ dàng, lớp nước mỏng cần lưu thông thuận lợi qua bề mặt tiếp xúc, đặc biệt khi gặp các bề mặt có tính chất kỵ nước. Lực ma sát cực thấp cũng chỉ xuất hiện khi có lượng nước dư thừa sinh ra trong quá trình trượt với vận tốc cực nhanh.

Đáng chú ý, phát hiện này bác bỏ quan niệm cho rằng hoạt động trượt tuyết hoàn toàn bất khả thi ở nhiệt độ dưới -40 độ C do thiếu màng nước. Các tương tác lưỡng cực vẫn duy trì bền bỉ ngay cả ở mức nhiệt gần độ không tuyệt đối, giúp màng chất lỏng tiếp tục hình thành giữa ván trượt và băng. Tuy nhiên, ở điều kiện cực lạnh này, lớp màng sẽ đặc quánh hơn cả mật ong và cản trở lực trượt thực tế.

Vì sao băng rất trơn?

Nghiên cứu mang lại cái nhìn hoàn toàn mới về cơ chế vật lý bề mặt khi băng tiếp xúc với các vật liệu xung quanh. Điểm cốt lõi là sự xáo trộn phân tử đã tạo ra lớp trơn trượt chứ không phụ thuộc vào hiện tượng nóng chảy do nhiệt hay áp lực đè nén. Công trình đã giải mã trọn vẹn hiện tượng tự nhiên quen thuộc nhưng gây tranh cãi suốt hàng trăm năm qua.