رهاب الجليد

خاصية مقاومة الجليد (المشتقة من كلمة ice والكلمة اليونانية φόβος phobos التي تعني "الخوف") هي قدرة سطح صلب على صد الجليد أو منع تكونه بفضل بنية طوبوغرافية معينة للسطح. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} استُخدم مصطلح "مقاومة الجليد" لأول مرة على الأقل في عام 1950؛ ^{[ 6 ]} ومع ذلك، أدى التقدم في مجال الأسطح ذات الأنماط الدقيقة إلى تزايد الاهتمام بمقاومة الجليد منذ العقد الأول من الألفية الثانية.

مصطلح "كراهية الجليد" مشابه لمصطلح " كراهية الماء " وأنواع أخرى من "الكراهية" في الكيمياء الفيزيائية ( مثل كراهية الزيت ، وكراهية الدهون ، وكراهية الماء والزيوت ، وكراهية الماء والزيوت معًا ، إلخ). تختلف كراهية الجليد عن إزالة الجليد ومنع تكونه في أن الأسطح الكارهة للجليد، على عكس الأسطح المانعة لتكوّن الجليد، لا تتطلب معالجة خاصة أو طلاءات كيميائية لمنع تكون الجليد. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

ثمة تشابه إضافي بين خاصية كراهية الماء وخاصية كراهية الجليد. فخاصية كراهية الماء أساسية لظاهرة " التأثير الكاره للماء " والتفاعلات الكارهة للماء . فعند وضع جزيئين كارهين للماء (مثل الهيدروكربونات) في الماء، تتولد قوة تنافرية فعالة، ذات أصل إنتروبي، نتيجة لتفاعلهما مع الوسط المائي. ويُعزى طي البروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى، مما يؤدي إلى شكلها المتشعب، إلى التأثير الكاره للماء . أثناء تكوّن بلورات الجليد ( ندفات الثلج )، يحدث تزامن في نمو الفروع نتيجة التفاعل مع الوسط ( بخار الماء المشبع ) - وهو ما يشبه إلى حد ما التأثير الكاره للماء - أي التنافر الظاهري بين الجزيئات الكارهة للماء نتيجة تفاعلها مع الوسط (الماء). ونتيجة لذلك، على الرغم من تنوع أشكال ندفات الثلج بشكل كبير، حيث "لا توجد ندفتان متشابهتان تمامًا"، فإن معظم بلورات الثلج متناظرة، إذ يتطابق كل فرع من الفروع الستة تقريبًا مع الفروع الخمسة الأخرى. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي كل من الخاصية الكارهة للماء والخاصية الكارهة للجليد إلى ظواهر معقدة للغاية، مثل التعقيد الناتج عن التنظيم الذاتي الحرج بسبب التفاعلات الكارهة للماء (أثناء ترطيب الأسطح الخشنة/غير المتجانسة أو أثناء طي سلسلة البولي ببتيد وتكوين الحلقات) أو تبلور الجليد (رقاقات الثلج المتفرعة). ^{[ 7 ]}

تجدر الإشارة إلى أن التفاعلات الكارهة للماء وتكوين الجليد، من الناحية الديناميكية الحرارية، مدفوعة بتقليل طاقة جيبس ​​السطحية ، ΔG = ΔH − TΔS، حيث H وT وS هي المحتوى الحراري ودرجة الحرارة والإنتروبيا على التوالي. ويعود ذلك إلى أن القيمة الموجبة الكبيرة لـ TΔS في التفاعلات الكارهة للماء تطغى على القيمة الموجبة الصغيرة لـ ΔH، مما يجعل التفاعل الكاره للماء التلقائي أكثر جدوى من الناحية الطاقية. ويتحكم ما يُسمى بانتقال خشونة السطح في اتجاه نمو بلورات الجليد ، ويحدث عند درجة الحرارة الحرجة، التي يتجاوز عندها تأثير الإنتروبيا في طاقة جيبس، TΔS، تأثير المحتوى الحراري، ΔH، مما يجعل من الأفضل من الناحية الطاقية أن تكون بلورة الجليد خشنة بدلاً من ملساء. وهذا يشير إلى أنه من الناحية الديناميكية الحرارية، يمكن اعتبار كل من السلوك الكاره للجليد والسلوك الكاره للماء تأثيرات إنتروبية. ^{[ 7 ]}

مع ذلك، يختلف مفهوم كراهية الجليد عن مفهوم كراهية الماء . فكراهية الماء خاصية تُحدد بزاوية التلامس مع الماء وطاقات الأسطح البينية بين الماء والصلب، وبين الصلب والبخار، وبين الماء والبخار، ولذا فهي خاصية ديناميكية حرارية تُعرَّف عادةً كميًا بأنها زاوية تلامس أكبر من 90 درجة. ويكمن فرق آخر في أن كراهية الماء تُعاكس محبة الماء بشكل طبيعي. أما كراهية الجليد فلا يوجد لها هذا التضاد، ولذا ينبغي تعريفها بوضع عتبة كمية. وتُشبه كراهية الجليد إلى حد كبير تعريف كراهية الماء الفائقة . ^{[ 7 ]}

في المنشورات الحديثة حول هذا الموضوع، توجد ثلاثة مناهج لتوصيف خاصية كراهية الجليد على الأسطح. ^{[ 7 ]} أولًا، تشير خاصية كراهية الجليد إلى ضعف قوة الالتصاق بين الجليد والسطح الصلب. في معظم الحالات، يُحسب إجهاد القص الحرج، مع إمكانية استخدام الإجهاد العمودي أيضًا. ورغم عدم وجود تعريف كمي واضح لخاصية كراهية الجليد حتى الآن، فقد وصف الباحثون الأسطح الكارهة للجليد بأنها تلك التي يكون فيها إجهاد القص (أقصى إجهاد) أقل في نطاق يتراوح بين 150 كيلو باسكال و500 كيلو باسكال، وقد يصل إلى 15.6 كيلو باسكال. ^{[ 1 ] [ 7 ]}

ثانيًا، تعني خاصية كراهية الجليد القدرة على منع تكوّن الجليد على السطح. وتُحدد هذه القدرة من خلال ما إذا كانت قطرة من الماء فائق التبريد (أقل من درجة التجمد الطبيعية 0 درجة مئوية) تتجمد عند السطح الفاصل. ويمكن وصف عملية التجمد بتأخر زمني في تكوّن نوى الجليد غير المتجانسة . وتُعد آليات تجمد القطرات معقدة للغاية، وقد تعتمد على مستوى درجة الحرارة، وعلى ما إذا كان تبريد القطرة يتم من جانب الركيزة الصلبة أو من البخار، بالإضافة إلى عوامل أخرى.

ثالثًا، يجب أن تصد الأسطح المقاومة للجليد القطرات الصغيرة القادمة (مثل قطرات المطر أو الضباب ) عند درجات حرارة أقل من نقطة التجمد . ^{[ 12 ]}

تشير هذه التعريفات الثلاثة إلى أن الأسطح المقاومة للجليد يجب أن: (1) تمنع تكثف الماء على سطحها، (2) تمنع تجمّد الماء المتدفق إليها، (3) وفي حال تشكّل الجليد، يجب أن يكون ضعيف الالتصاق بالسطح الصلب ليسهل إزالته. قد تعتمد خصائص مقاومة التجمّد على عوامل مثل ما إذا كان السطح الصلب أبرد من الهواء/البخار، وحجم التدرج الحراري، وما إذا كان غشاء رقيق من الماء يميل إلى التشكّل على السطح الصلب بفعل الخاصية الشعرية، وضغط التباعد، وما إلى ذلك. كما أن للخواص الميكانيكية للجليد والركيزة أهمية بالغة، إذ يحدث تساقط الجليد على شكل كسر، إما في النمط الأول (الكسر العمودي) أو النمط الثاني (كسر القص)، ولذلك تُعدّ مناطق تركيز الشقوق من العوامل الرئيسية التي تُسهم في انخفاض المقاومة. ^{[ 4 ] [ 7 ]}