Это распространенное явление не понималось должным образом в течение как минимум двух столетий
⏸
Скользкий лед — это то, с чем сталкивается большинство из нас, будь то под нашими ботинками, автомобильными шинами или коньками. Но почему лед такой скользкий, ученые ломали голову на протяжении веков. Теперь исследователи из Германии предлагают новое объяснение. Они показывают, что лед может слегка таять без добавления тепла. Это происходит из-за изменений на молекулярном уровне, которые нарушают кристаллическую структуру льда. На протяжении сотен лет люди пытались понять, почему лед такой скользкий. В 1850-х годах Майкл Фарадей провел ставший знаменитым эксперимент. Этот химик и физик показал, что если положить два кубика льда один на другой, то в конечном итоге они сцепятся. Каждый кубик был покрыт тонким слоем воды, объяснил он. И эта вода замерзала, когда кубики соприкасались.
Давайте познакомимся с необычной наукой о льду
Однако это не объясняет, почему лед покрыт таким тонким слоем воды.Несколько лет спустя инженер по имени Джеймс Томсон предложил объяснение. Давление, как и тепло, может растопить лед. Используя математику, он показал, что давление от ботинка, скажем, или лезвия конька может растопить небольшое количество льда. Это могло привести к образованию тонкого слоя воды.
Но в этом объяснении была проблема.
Давление ботинка не растопило бы достаточно воды, чтобы лед стал скользким. Для этого вам нужно сосредоточить весь свой вес на очень маленькой площади. Насколько маленькой? Размером примерно с маковое зернышко.
Пояснение: Что такое трение?
Почти столетие спустя, в 1939 году, пара физиков-химиков выдвинула другую идею. Они предположили, что давление и тепло вместе могут растопить лед, образовав скользкий слой воды. Это тепло могло возникнуть из-за трения ботинка или другого предмета, движущегося по льду.Но даже это объяснение не оправдалось. Почему? Лед остается скользким даже при минусовой температуре. Таким образом, тайна скользкости сохранялась.В 2024 году исследователи из Пекинского университета в Пекине, Китай, объяснили, почему образуется слой воды. Они обнаружили, что крошечные дефекты на поверхности льда могут создавать тонкий слой воды поверх него. На самом деле, отмечает Мартин Мюзер, эта команда показала, что “даже при очень низкой температуре на поверхности остается некоторое количество первоначальной воды”. Однако Мюзер утверждает, что слой воды недостаточно толстый, чтобы сделать лед по-настоящему скользким.
Команда Мюзера из Саарского университета в Саарбрюккене, Германия, теперь предлагает другое, но связанное с этим объяснение. Чтобы разобраться в этом, ученые-материаловеды смоделировали то, что происходит со льдом на молекулярном уровне.
Когда лед «расстраивается»
Лед — это кристалл. Это означает, что его молекулы расположены в аккуратном порядке. Вместе со своей командой Мюзер создал компьютерную модель льда. Затем они наблюдали, как изменяются свойства ее молекул, когда ледяная глыба соприкасается с другой поверхностью (например, ботинком, шиной или коньком).
Вода — это дипольная молекула. Это означает, что одна сторона имеет небольшой отрицательный электрический заряд, а другая — положительный. Такое разделение зарядов приводит к тому, что молекулы льда выстраиваются в правильную структуру, напоминающую маленькие магниты.
<п>Но это не займет много, чтобы сорвать что упорядоченная структура. Представьте, что ботинок касается льда. Диполи внутри самого ботинка притягивают диполи в верхних слоях льда. Это похоже на притяжение двух магнитов друг к другу.
Когда ботинок движется, диполи во льду тоже движутся. Теперь идеальная кристаллическая структура льда начинает разрушаться по мере того, как все больше и больше его молекул выходят из строя.
Этот процесс называется фрустрацией, говорит Мюзер. Лед “как бы тает, не нагреваясь по-настоящему”.
Молекулярные изменения, показанные новым моделированием, было бы практически невозможно физически наблюдать, отмечают исследователи.
Мюзер сравнивает кристаллический лед с “упорядоченным слоем макарон из ракушек”. Представьте, говорит он, что произойдет, если “теперь потереть его слегка липкой рукой”. Некоторые ракушки будут удалены в неправильном порядке. Диполи в ботинке или шине обеспечивают аналогичную липкость, выводя молекулы льда из строя.
Поврежденные молекулы больше не ведут себя как кристаллы. Вместо этого они становятся тонким слоем воды на поверхности льда.
Таяние без использования тепла
Это не традиционный способ таяния льда. Обычно он тает под действием давления или высокой температуры. Но в этом случае твердый лед превращается в жидкую воду, поскольку дефекты нарушают его кристаллическую структуру.
“Это означает, что лед может быть скользким даже при низких температурах”, — говорит Ларс Пастевка. Он инженер по микросистемам во Фрайбургском университете в Германии. Действительно, компьютерная модель Саара показывает, что “разбитый” лед будет оставаться скользким при температуре 10 градусов по Кельвину. Это – 442 градуса по Фаренгейту, или близко к абсолютному нулю.
“Молекулярное моделирование, подобное этому, способно показать, что делает каждый атом”, — говорит Роберт Карпик. “Именно поэтому к результатам [этой новой модели] следует отнестись серьезно”. Карпик, инженер-механик, работает в Пенсильванском университете в Филадельфии.
Группа Пастевки обнаружила аналогичные дефекты кристаллов в кремнии и алмазе. Это также может сделать их поверхность скользкой. Однако у алмазов есть одно важное отличие. В случае с водяным льдом “чем сильнее вы нажимаете, тем легче превратить его в жидкую массу”, — говорит Пастевка. В diamond вы получаете противоположный эффект, который на самом деле защищает поверхность.
Теоретически, на diamond можно кататься по той же причине, что и на водяном льду. Но на поверхности катка diamond не останется столько следов.
Итак, какое решение поможет вам не поскользнуться на льду зимой? “Я бы посоветовал надеть бутсы”, — говорит Мюзер. “Это действительно единственный способ”.
У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!
Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Science News Explorers
