Buz neden kaygandır? 200 yıllık teori çürütüldü

Yüzyıldan fazla bir süredir, dünyanın dört bir yanındaki öğrencilere, basınç ve sürtünmenin buzun erimesine neden olduğu öğretiliyordu. Kışın donmuş bir kaldırımda kaymak, genellikle (hala sıcak olan) ayakkabınızın tabanından geçen vücut ağırlığınızın yarattığı basınca bağlanır.

Saarland Üniversitesi'nin yeni araştırması, bu görüşün eksik olduğunu ve kayganlığın basınç veya sürtünmeden ziyade, buzdaki moleküler dipoller ile ayakkabı tabanı gibi temas yüzeyindeki dipoller arasındaki etkileşimlerden kaynaklandığını ortaya koyuyor.

Ancak Saarland Üniversitesi'nin yeni araştırması, bu görüşün eksik olduğunu ortaya koyuyor. Çalışmaya göre kayganlık, basınç veya sürtünmeden değil, buz içindeki moleküler dipoller ile ayakkabı tabanı gibi temas yüzeyindeki dipoller arasındaki etkileşimlerden kaynaklanıyor.

Profesör Martin Müser ve meslektaşları Achraf Atila ile Sergey Sukhomlinov'un yaptığı çalışma, neredeyse iki yüz yıl önce Lord Kelvin'in kardeşi James Thompson tarafından ortaya atılan, "basınç ve sürtünmenin sıcaklıkla birlikte buzun erimesine yol açtığı" modeline meydan okuyor.

Müser, "Buz üzerindeki ince sıvı tabakasının oluşumunda ne basıncın ne de sürtünmenin özellikle önemli bir rol oynadığı ortaya çıktı," diyor. Ekip tarafından yapılan bilgisayar simülasyonları ise, kışın sık sık dengemizi kaybetmemize neden olan kaygan tabakanın oluşumunun ardındaki asıl itici gücün moleküler dipoller olduğunu gösteriyor.

Dipollerin Fiziği

Peki dipol tam olarak nedir? Moleküler dipol, bir molekülün kısmen pozitif ve kısmen negatif yüklü bölgeler barındırması ve bu sayede moleküle belirli bir doğrultuda polarite kazandırması durumunda ortaya çıkar.

Buzun yapısını anlamak, süreci kavramak açısından faydalı olacaktır. 0°C'nin altında, su molekülleri (H₂O) son derece düzenli bir kristal kafes içinde hizalanır ve katı, kristal bir yapı oluşturur.

Birisi bu düzenli yapıya adım attığında, yüzeydeki molekül katmanını bozan şey, ayakkabının oluşturduğu basınç veya sürtünme değildir. Asıl sebep, ayakkabı tabanındaki dipollerin buz içindeki dipollerle etkileşime girmesidir. Daha önce düzenli olan yapı aniden düzensizleşir.

Müser, fizikte "rekabet eden kuvvetlerin bir sistemin tamamen düzenli ve kararlı bir yapı oluşturmasını engellemesi" anlamına gelen bir kavrama atıfta bulunarak, "Üç boyutta bu dipol-dipol etkileşimleri 'boşa çıkar'" diyor.

Mikroskobik ölçekte, buz ve ayakkabı tabanı malzemesindeki dipoller arasındaki kuvvetler, buz ile ayakkabı arasındaki arayüzdeki kristal düzeni bozarak buzun düzensiz, amorf ve sonunda sıvı hale gelmesine yol açar.

Soğuk Hava Fiziğini Yeniden Düşünmek

Ekip, yalnızca yaklaşık 200 yıllık kabul görmüş bilgiyi çürütmekle kalmıyor, aynı zamanda başka bir yanılgıyı da ortadan kaldırıyor. Profesör Müser, "Şimdiye kadar, kayakların altında ince bir kayganlaştırıcı sıvı tabakası oluşamayacağı için -40°C'nin altında kayak yapmanın imkânsız olduğu sanılıyordu. Ancak bunun da yanlış olduğu ortaya çıktı," diyor.

Müser'e göre, "Dipol etkileşimleri son derece düşük sıcaklıklarda bile devam ediyor. Şaşırtıcı bir şekilde, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda bile buz ile kayak arasındaki arayüzde bir sıvı tabakası oluşuyor." Ancak bu sıcaklıklarda oluşan film, baldan daha yoğun bir kıvama sahip oluyor. Onu su olarak algılamamız neredeyse imkânsız hale geliyor ve üzerinde kayak yapmak da pratikte mümkün olmuyor; fakat film yine de varlığını sürdürüyor.

Kışın buzda kayıp düşerek yaralanan biri için, kayganlığın basınçtan mı, sürtünmeden mi yoksa dipollerden mi kaynaklandığı pek önemli değildir. Ancak fizik açısından bu ayrım kritik öneme sahiptir. Saarland Üniversitesi araştırma ekibinin bu keşfinin etkileri hâlâ ortaya çıkmaya devam ediyor ve bilim dünyası bu gelişmeyi dikkatle takip ediyor.