Лед кажется обманчиво простым: холодным, твердым и скользким. Но уже более ста лет учёные обсуждают, почему он остаётся таким скользким даже в лютый мороз. Долгое время считалось, что секрет кроется в тонком слое воды на поверхности, но вопрос, как это происходит в сильные морозы, оставался без ответа. Теперь исследователи предложили новое объяснение, которое могло бы положить конец многолетнему научному спору. Об этом свидетельствует международное научное издание.
Старая тайна и новые сомнения
Классические учебники объясняли скользкость льда сразу несколькими механизмами. Одним из них является плавление под давлением, когда лезвие конька или шина создают нагрузку, которая растапливает лед. Другая версия говорит о плавлении поверхности, при которой верхние молекулярные слои даже ниже нуля ведут себя как жидкость. Третья гипотеза связывает эффект со скрытым нагревом из-за трения.
Однако каждая из этих теорий оказалась неполной. Эксперименты показывают, что при быстром скольжении поверхность почти не прогревается, и само по себе давление не объясняет, почему лыжи легко скользят при температуре около -20 градусов. Результатом стал разрыв между теорией и повседневным опытом, который оставался неразрешенным на протяжении десятилетий.
Молекулярный взгляд на лед
Группа ученых под руководством профессора Мартина Мюзера из Саарского университета решила изучить проблему на уровне отдельных молекул. Для этого они использовали крупномасштабное компьютерное моделирование молекулярной динамики, чтобы с высокой точностью отслеживать поведение воды. В расчетах использовалась модель TIP4P/Ice, которая, как известно, правильно воспроизводит свойства как льда, так и жидкой воды.
Исследование началось с самой простой конфигурации: два идеально плоских кристалла льда, спрессованных вместе при температуре всего на 10 Кельвинов выше абсолютного нуля. Даже в стационарном состоянии на границе контакта появлялись микроскопические области пониженной энергии. Они возникли там, где электрические диполи молекул воды на поверхности были ориентированы выгодно друг другу.
Что происходит, когда вы скользите
Когда кристаллы начали двигаться, именно эти участки стали слабыми местами конструкции. Кристаллический порядок вокруг них был нарушен, а вместо этого дальше по пути движения образовались новые зоны беспорядка. Важно отметить, что этот процесс не требовал значительного нагрева или наличия классических дефектов кристаллической решетки.
Открытая структура льда позволяет молекулам перестраиваться с минимальными затратами энергии. В результате на границе контакта появился тонкий слой аморфного вещества, по свойствам напоминающий переохлажденную воду. Его молекулярная организация напоминала жидкую фазу, включая характерное увеличение числа ближайших соседей молекул — признак потери кристаллического порядка. При этом система стала несколько плотнее, что указывает на более высокую плотность этого слоя по сравнению с обычным льдом.
Почему «идеальный» лед не скользит сам по себе
Ученые также проверили популярную идею структурной смазки, или суперскольжения, при которой две идеально гладкие, но смещенные сетки могут двигаться практически без трения. Теоретически этим можно было бы объяснить скольжение по льду без участия воды.
Однако расчеты показали, что для настоящего льда этот эффект не работает. Даже когда кристаллы были разрегулированы и не было влаги, напряжения сдвига оставались высокими: более 100 мегапаскалей при температуре около -10 градусов. Значительное снижение трения наблюдалось только тогда, когда между поверхностями появлялся достаточно толстый случайный или жидкоподобный слой.
Сравнение с упрощенной моделью мВт воды, не учитывающей ориентацию молекул, подтвердило вывод: даже минимальные примеси или дефекты резко увеличивают трение, разрушая условия сверхнизкого сопротивления движению.
Движение важнее тепла
Одним из наиболее важных результатов стало понимание того, как растет этот аморфный слой. Его толщина увеличивалась пропорционально квадратному корню из пройденного пути скольжения. Это указывает на процесс, зависящий не от температуры, а от самого движения. Каждое микроскопическое смещение дает молекулам возможность покинуть свои позиции в решетке, а по мере утолщения слоя дальнейшее разрушение структуры замедляется.
Гладкость льда поэтому объясняется не таянием, а локальным разрушением кристаллической структуры под влиянием движения. Этот механизм объединяет различные наблюдения и показывает, что лед может оставаться скользким даже в сильные морозы, не разжижаясь.
