Warum ist Eis glatt?

Welt der Physik: Fallen die Temperaturen im Winter unter den Gefrierpunkt, steigt die Gefahr, auf spiegelglatten Straßen auszurutschen. Was bedeutet es eigentlich aus physikalischer Sicht, wenn eine Oberfläche glatt ist?

Martin Müser: „Darauf gibt es zwei Antworten: Geometrisch betrachtet gilt eine Oberfläche als glatt, wenn ihre Struktur keine Rauigkeitsspitzen – also winzige Erhebungen auf der Oberfläche – aufweist. Außerdem assoziiert man eine glatte Oberfläche mit einer kleinen Reibung. Oftmals korreliert das – also wenn eine Oberfläche viele Spitzen hat, dann herrscht eine große Reibung. Das muss aber nicht zwingend so sein.“

Obwohl Menschen wahrscheinlich seit Jahrtausenden regelmäßig auf vereisten Wegen ins Schlittern geraten, konnte bis heute nicht abschließend geklärt werden, warum das passiert. Wie kann das sein?

„Die Tribologie – also die Forschung von Reibung und Abrieb – hat das ganz allgemeine Problem, dass man experimentell nicht in einen gleitenden Kontakt hineinschauen kann. Denn die eigentlich spannende Physik passiert auf einer Größenskala von Tausendstel Millimetern. Prinzipiell kann man diese winzigen Strukturen durchaus beobachten, aber das funktioniert nur relativ langsam – und ausgerechnet die Prozesse, die beim Gleiten eine Rolle spielen, laufen sehr schnell ab. Das sehr hochauflösend und mit einer sehr hohen Bildrate zu beobachten, ist bisher nicht möglich.“

Was ist denn bislang über die Glätte von Eis bekannt?

„Eis ist im natürlichen Zustand zunächst einmal relativ hart und fest, allerdings besitzt es keine Rauigkeitsspitzen. Stattdessen befindet sich auf der Oberfläche immer ein extrem dünner Film aus flüssigem Wasser: An der Grenzfläche zwischen Eis und Luft lösen sich nämlich auch noch weit unterhalb des Gefrierpunkts immer wieder einzelne Wassermoleküle aus dem Kristallgitter des Eises und sammeln sich an der Oberfläche an.

Dieser Wasserfilm ist zwar viel zu dünn, um zu erklären, warum wir auf Eis ausrutschen. Durch die Relativbewegung zwischen einem festen Objekt und dem Eis kann die hauchdünne Wasserschicht aber schnell anwachsen, was die Reibung reduziert. Wenn das Objekt zudem noch hydrophob ist, also das Wasser abweist, dann ist die Reibung noch einmal kleiner.“

Das hört sich schlüssig an. Wo genau liegt nun der Knackpunkt?

„Unklar war, wie genau der Wasserfilm zwischen Eis und Schuh, Skier oder Kufe dicker wird. Da gibt es verschiedene Vorschläge, die jeweils in gewissen Grenzfällen relevant sind. Eine weit verbreitete Vorstellung stammt von dem Mathematiker James Thomson. Er nahm an, dass Eis zu schmelzen beginnt, wenn man Druck auf es ausübt. Das ist bisweilen auch richtig, aber wenn ich mit Skiern auf Eis stünde, dann dürfte der Kontakt zwischen Eis und Ski demnach nur einen Quadratmillimeter groß sein, damit es schmilzt – und der Kontakt ist natürlich deutlich größer. Die Erklärung ist also nur für gewisse Grenzfälle gültig.

Der Physiker Frank Bowden machte dagegen Reibungswärme für den Wasserfilm verantwortlich, die das Eis über den Gefrierpunkt erhitzt. Aber auch diese Erklärung ist unzureichend. Es konnte nicht gezeigt werden, dass Eis in einem Kontakt wirklich so warm wird, dass es thermisch schmilzt. Alle diese Ideen haben ihre Berechtigung, eine hundertprozentig überzeugende Erklärung liefern sie aber nicht.“

Sie haben nun eine neue Antwort auf die alte Frage gefunden, warum Eis glatt ist.

„Ja, das stimmt. Ein Wassermolekül – und dementsprechend auch Eis – ist ein sogenannter Dipol, da es aus einem negativ geladenen Sauerstoffatom und zwei positiv geladenen Wasserstoffatomen besteht. Innerhalb einer kristallinen Struktur – beispielsweise einer Eisschicht – ziehen sich die unterschiedlichen Pole an und verbinden sich miteinander, nehmen dabei aufgrund der tetraedrischen Struktur der Moleküle aber nicht immer eine ideale Position zueinander ein: Es entstehen sogenannte frustrierte Wechselwirkungen, also nicht optimale und somit lockerere Bindungen zwischen den Molekülen.

Wenn nun zwei Oberflächen übereinandergleiten, dann sind manchmal die Dipole der anderen Oberfläche füreinander besser orientiert als die direkten Nachbarn. Wenn also ein Schuh auf eine Eisfläche trifft, dann können Dipole der Sohle die Dipole aus dem Eis anziehen, aus der kristallinen Struktur herauslösen und dadurch an der Grenzfläche zwischen Schuh und Eis die kristalline Ordnung zerstören. Das Eis verliert seine geordnete Struktur. Bei sehr tiefen Temperaturen spricht man dann von einem amorphen Zustand, bei höheren von einer Flüssigkeit. Die Zerstörung der Ordnung passiert also vorwiegend mechanisch. Erwärmung spielt dabei nur eine Nebenrolle.“

Kristallstruktur gerät in Unordnung

Wie sind Sie auf diese Erklärung gekommen? Sie haben ja keine klassischen Experimente durchgeführt und darin etwa den Kontakt zwischen Schuh und Eis im Detail untersucht.

„Wir haben in Computersimulationen vielen Tausend Wassermolekülen exakt die Position zugewiesen, die sie in einem Eiskristall einnehmen. In einem zweiten Schritt ließen wir dann zwei Eiskristalle in einem bestimmten Winkel gegeneinandergleiten. Dabei konnten wir feststellen, dass sofort diese Amorphisierung einsetzt – das heißt, die geordnete Kristallstruktur des Eises geht in einen ungeordneten, teils flüssigen Zustand über. Bereits bei einer Temperatur von 10 Kelvin, das entspricht etwa minus 263 Grad Celsius, erhält man unglaublich schnell eine sehr dicke amorphe Schicht und dementsprechend auch einen flüssigen Film. Dieser ist unserem Modell zufolge allerdings sehr zähflüssig und die Reibungskräfte sind sehr groß – er wäre also nicht so glatt wie bei höheren Temperaturen.“

Wenn ich nun auf einer glatten Straße ausrutschte, weiß ich jetzt also, was unter meinen Füßen passiert. Haben die neuen Erkenntnisse auch einen praktischen Nutzen?

„Wir können jetzt beispielsweise viel genauer berechnen, was passiert, wenn eine Kufe über Eis gleitet. Wenn also jemand die Form einer Kufe optimieren will, damit sie schneller über Eis gleitet, dann hat er jetzt ein gutes Modell als Grundlage. Bei Schnee ist das allerdings noch etwas komplizierter, da er nicht so kompakt ist. Hier existieren mitunter Eiskristalle mit scharfen Ecken und Kanten, die anders mit einer Kufe interagieren.“