Ruim 160 jaar geleden trok een effect dat sterk lijkt op wat op de ijsbaan gebeurt al de aandacht van natuurkundige Michael Faraday. Hij deed een eenvoudig experiment dat je ook zelf thuis kunt doen: neem twee ijsklontjes, leg ze in de vriezer op elkaar, en kijk een uur later of je ze nog van elkaar af kunt krijgen. Het antwoord is: nee, dat lukt niet. Faraday beschreef het plakkende fenomeen in een van zijn bekende kerstlezingen. Zijn conclusie was dat er zich aan de buitenkant van een ijsblokje altijd een dun laagje water bevindt, zelfs als je het bewaart bij een temperatuur ver onder het vriespunt. Wanneer je twee ijsblokjes op elkaar legt – aldus Faraday – bevriest dit laagje alsnog, wat ervoor zorgt dat je ze niet meer van elkaar krijgt.

Het duurde ongeveer honderd jaar voor natuurkundigen de claim van de grote wetenschapper Faraday tegen durfden te spreken. Men ontdekte dat moleculen aan het oppervlak van ijs niet noodzakelijk vloeibaar zijn, maar wel losser gebonden dan midden in het kristal. Hierdoor kost het relatief weinig energie om die moleculen over het oppervlak te bewegen, of zelfs los te maken.

Debat in de ijswereld

Drie nieuwe theorieën werden geopperd die mogelijk de dynamiek van de bovenste laag ijsmoleculen wél correct zouden beschrijven. Een debat in de ijswereld, tussen aanhangers van de volgende vier verklaringen, was geboren:

1. Het altijd aanwezige, dunne laagje water van Faraday;
2. De mogelijkheid voor moleculen aan het oppervlak van ijs om te sublimeren – van vast rechtstreeks gasvormig te worden – en vervolgens te condenseren;
3. De aanwezigheid van watermoleculen die zich binnen in het ijskristal (dus niet alleen aan het oppervlak) herschikken tot een nieuw geheel;
4. De optie van watermoleculen die aan het oppervlak van het ijskristal van positie wisselen, als een soort van schuifpuzzel.

Het helende effect

In het nieuwe onderzoek stapelden natuurkundige Menno Demmenie en zijn collega’s geen ijsblokjes, maar manipuleerden ze het oppervlak van ijs door er een minuscule snede in te maken. Ze observeerden de zo ontstane kras vervolgens lange tijd. Na een tijdsbestek van enkele uren bleek de kras verdwenen en was er weer een perfect laagje ijs ontstaan. Het ijs had zichzelf ‘genezen’. In de afbeeldingen hieronder is goed te zien hoe een dergelijke snede in de loop van de tijd inderdaad verdwijnt; een animatie van het verschijnsel is ook hier te vinden.

Het helende effect is vervolgens gemeten voor dertig verschillende krassen bij zes verschillende ijstemperaturen. Door de vier kandidaatmodellen statistisch te vergelijken met de metingen konden de onderzoekers vaststellen dat het helende effect wordt veroorzaakt door lokale sublimatie en condensatie – optie 2 uit het lijstje. Met andere woorden: watermoleculen komen even los van het oppervlak, om vervolgens weer neer te slaan in de snede, waardoor die langzaam gevuld wordt.

Pauzes schaatswedstrijden verlengen?

In plaats van dweilmachines te gebruiken zouden we de pauzes tussen de schaatswedstrijden dus ook kunnen verlengen met een aantal uur, waarna het ijs weer piekfijn in orde is. Naast de lange tijdsduur is daarbij nog een kanttekening te plaatsen: de dampdruk van het ijs en de lucht moeten net als in het experiment goed in evenwicht worden gehouden, om te voorkomen dat het vocht uit de lucht op het ijs zal condenseren en de baan juist weer verslechtert. Vooralsnog blijven we op de ijsbaan dus maar dweilmachines gebruiken.

Publicatie

Scratch-Healing Behavior of Ice by Local Sublimation and Condensation, M. Demmenie, P. Kolpakov, Y. Nagata, S. Woutersen en D. Bonn. The Journal of Physical Chemistry C 126, 4 (2022), 2179–2183.