קרח בטמפרטורת החדר?

מים יכולים לשמש כנוזל סיכה, המקטין את החיכוך בין שני משטחים ומאפשר להם להחליק בחופשיות זה על גבי זה. ואולם, בסקאלות ננומטריות, התנהגות זו עשויה להשתנות באופן משמעותי. מחקרים שנעשו עד כה מראים כי כאשר שכבה דקה של מים כלואה בין שני משטחים, עשויים המים להתמצק, תוך שהם מגדילים את החיכוך בין המשטחים.

תהליך זה מתרחש בטמפרטורת החדר. במקרה של סביבה שהלחות בה גבוהה יחסית, מים מן הסביבה אשר עוברים תהליך זה (המכונה התעבות קפילרית) ממלאים את החריצים בשני המשטחים ומצמידים אותם היטב זה לזה. התופעה גורמת לעלייה בחיכוך בין שני המשטחים במקום לירידה בחיכוך, ועלולה לפיכך לשבש את פעולתן של מערכות בסקאלה ננומטרית.

החוקרים פרנקן (Frenken) וג'ינש (Jinesh) מאוניברסיטת ליידן שבהולנד חקרו את התמצקות המים בשטח המגע המצומצם שבין חוד טונגסטן לבין משטח גרפיט. החוקרים עשו שימוש במכשיר שבנו במיוחד לצורך הניסוי, אשר מתאים למדידת כוחות חיכוך זעירים. כל המדידות נערכו בטמפרטורת החדר, כלומר הרבה מעל לטמפרטורת הקיפאון הרגילה של מים.

החוקרים מדדו את החיכוך של החוד כנגד המשטח בתנאי לחות שונים. בלחות נמוכה, נמצא כי החיכוך הושפע בעיקר מהסקאלה האטומית של הגופים, כלומר, מהמבנה הגבישי שלהם. במדידת הכוח נתגלתה התנהגות מחזורית כאשר החוד נע לאורך המשטח, והמחזוריות תאמה למבנה המחזורי של הגביש. באחוזי לחות גבוהים יותר (10% ומעלה) נעלמת ההתנהגות שאותה ניתן לייחס לרמת האטום הבודד.

במקומה מופיעה התנהגות חדשה: עלייה בחיכוך בעת ניתוק החוד למשטח או הצמדתו אליו. החוקרים מסבירים שינוי זה בהתעבות קפילרית. בעת שהסביבה יבשה לחלוטין, החוד נוגע ישירות במשטח, וחש את ההבדלים בפוטנציאל החשמלי שיוצר כל אחד מן האטומים המרכיבים את המשטח. בתנאים אלה ניתן להבחין בשינויים קלים בכוח, הנובעים ממבנה החומר ברמה האטומית.

לעומת זאת, כאשר הסביבה לחה יותר, מתרחשת התעבות בין החוד לבין המשטח, אשר מצמידה אותם זה לזה וגורמת לעלייה בכוח הנמדד, בעיקר בעת הצמדת החוד למשטח או ניתוקו ממנו. עוצמת הכוח הנמדד מתאימה להצמדה על-ידי קרח. צמיגות החומר המצמיד דומה לצמיגותו של קרח, ולא לצמיגותם של מים נוזליים.

החוקרים הבחינו בסימן נוסף לנוכחות קרח במערכת: החיכוך היה, בתנאים מסוימים, בעל מחזוריות אטומית שונה משמעותית מזו של המשטח העשוי גרפיט; המחזוריות התאימה יותר למבנה המשושים המאפיין מולקולות מים בגביש קרח. נוכחות של קרח נתגלתה גם כאשר הסיעו את החוד לאורך מסלולים ארוכים יחסית (המדידות נערכו בטווח של ננומטרים בודדים ועד 250 ננומטר). לפיכך משערים החוקרים, כי הקרח נוצר לא רק בנקודה שבין החוד והמשטח; ייתכן כי די בנוכחות המשטח עצמו כדי שתתעבה עליו שכבת קרח.