Vintersport som skidåkning, hastighets skridskoåkning, konståkning, och curling kräver hala ytor av is och snö. Medan det faktum att isytan är hal är allmänt erkänt, det är långt ifrån helt förstått. 1886 John Joly, en irländsk fysiker, erbjöd den första vetenskapliga förklaringen till låg friktion på is; när ett föremål - det vill säga en skridsko - berör isytan är det lokala kontakttrycket så högt att isen smälter och därigenom skapar ett flytande vattenskikt som smörjer glidningen. Den nuvarande konsensusen är att även om flytande vatten vid isytan minskar glidfriktionen på is, detta flytande vatten smälts inte av tryck utan av friktionsvärme som produceras under glidning.

Ett forskargrupp ledd av bröderna prof. Daniel Bonn från universitetet i Amsterdam och prof. Mischa Bonn från MPI-P, har nu visat att friktion på is är mer komplex än vad som hittills antagits. Genom makroskopiska friktionsexperiment vid temperaturer från 0 ° C till -100 ° C visar forskarna att - överraskande nog - isytan förvandlas från en extremt hal yta vid typiska vintersporttemperaturer, till en yta med hög friktion vid -100 ° C.

För att undersöka ursprunget till denna temperaturberoende halka, forskarna utförde spektroskopiska mätningar av vattenmolekylernas tillstånd vid ytan, och jämförde dessa med molekylära dynamik (MD) simuleringar. Denna kombination av experiment och teori avslöjar att två typer av vattenmolekyler finns på isytan:vattenmolekyler som fastnar på den underliggande isen (bunden av tre vätebindningar) och rörliga vattenmolekyler som är bundna av endast två vätebindningar. Dessa rörliga vattenmolekyler rullar kontinuerligt över isen - som små sfärer - som drivs av termiska vibrationer.

När temperaturen ökar, de två arterna av ytmolekyler omvandlas:antalet mobila vattenmolekyler ökar på bekostnad av vattenmolekyler som fixeras till isytan. Anmärkningsvärt, denna temperaturdrivna förändring i rörligheten för de översta vattenmolekylerna vid isytan matchar perfekt temperaturberoendet för den uppmätta friktionskraften:ju större rörlighet vid ytan, desto lägre friktion och vice versa. Forskarna drar därför slutsatsen att - snarare än ett tunt lager flytande vatten på isen - är den höga rörligheten hos ytvattenmolekylerna ansvarig för isens halka.

Även om ytrörligheten fortsätter att öka ända upp till 0 ° C, detta är inte den idealiska temperaturen för glidning på is. Experimenten visar att friktionen faktiskt är minimal vid -7 ° C; exakt samma temperatur påläggs på skridskobanor. Forskarna visar att vid temperaturer mellan -7 ° C och 0 ° C, glidning är svårare eftersom isen blir mjukare, vilket får det glidande föremålet att gräva djupare i isen.

Resultaten publiceras i Journal of Physical Chemistry Letters .