Учёные выяснили настоящую причину скользкости льда, опровергнув 200-летнюю теорию

Лёд становится скользким не из-за давления или трения, а из-за молекулярных диполей, нарушающих его кристаллическую решётку. Фото: Shutterstock

Более ста лет школьники по всему миру изучали, что лёд тает под давлением и трением. Когда вы ступаете на обледеневший тротуар зимой, можно поскользнуться из-за давления, которое оказывает вес вашего тела через подошву (ещё тёплой) обуви. Однако новое исследование, проведённое в Саарландском университете, показывает, что это объяснение ошибочно. Оказалось, что причиной скользкости льда является не давление или трение, а взаимодействие между молекулярными диполями во льду и в контактирующей поверхности, например, в подошве обуви.

Это открытие профессора Мартина Мюзера и его коллег Ахрафа Атилы и Сергея Сухомлинова опровергает парадигму, установленную почти два века назад братом лорда Кельвина, Джеймсом Томпсоном, который предположил, что давление и трение наряду с температурой способствуют таянию льда.

«Оказывается, ни давление, ни трение не играют особо значительной роли в формировании тонкого жидкого слоя на льду», — поясняет Мартин Мюзер.

Вместо этого компьютерное моделирование команды показало, что молекулярные диполи являются ключевыми факторами образования этого скользкого слоя, который так часто заставляет нас терять равновесие зимой. Но что такое диполь? Молекулярный диполь возникает, когда у молекулы есть области частичного положительного и частичного отрицательного заряда, что придаёт молекуле общую полярность, направленную в определённую сторону.

Чтобы лучше понять происходящее, полезно знать структуру льда. При температуре ниже нуля градусов по Цельсию молекулы воды (H2O) выстраиваются в высокоупорядоченную кристаллическую решётку, где все молекулы аккуратно выровнены друг с другом, создавая твёрдую кристаллическую структуру. Когда кто-то ступает на эту упорядоченную структуру, нарушает верхний слой молекул не resulting давление или трение обуви, а ориентация диполей в подошве, взаимодействующих с диполями во льду. Ранее хорошо упорядоченная структура внезапно становится неупорядоченной.

«В трёх измерениях эти диполь-дипольные взаимодействия становятся «фрустрированными»», — говорит Мюзер, ссылаясь на концепцию в физике, где конкурирующие силы препятствуют достижению системой полностью упорядоченной стабильной конфигурации.

На микроскопическом уровне силы между диполями во льду и в материале подошвы нарушают упорядоченную кристаллическую структуру на границе раздела лёд-обувь, вызывая беспорядок, аморфность и, в конечном счёте, жидкое состояние льда.

Помимо опровержения почти 200-летних общепринятых знаний, исследование команды также развенчивает другое заблуждение.

«До сих пор считалось, что катание на лыжах при температуре ниже -40°C невозможно, потому что слишком холодно для образования тонкой смазывающей жидкой плёнки под лыжами. Оказывается, это тоже неверно», — объясняет профессор Мюзер.

«Дипольные взаимодействия сохраняются при чрезвычайно низких температурах. Примечательно, что жидкая плёнка всё ещё образуется на границе раздела лёд-лыжа — даже вблизи абсолютного нуля», — говорит Мюзер.

Однако при таких низких температурах плёнка более вязкая, чем мёд. Мы вряд ли признали бы её водой, и кататься на лыжах по ней было бы практически невозможно — но плёнка тем не менее существует.

Для того, кто лечит травму из-за того, что поскользнулся и упал зимой, вряд ли важно, виноваты ли давление, трение или диполи. Но для физики это различие имеет crucial значение. Последствия этого открытия исследовательской группы Саарланда ещё unfolding, и научное сообщество принимает к сведению.

Источники:

Материалы предоставлены Саарландским университетом.

Ахраф Атила, Сергей В. Сухомлинов, Мартин Х. Мюзер. Холодная самосмазка скользящего льда. Physical Review Letters, 2025; 135 (6) DOI: 10.1103/1plj-7p4z

Интересный факт: Абсолютный ноль (-273,15°C) является теоретическим пределом самой низкой возможной температуры, при которой прекращается всякое тепловое движение молекул. Исследование немецких учёных показывает, что даже вблизи этой экстремальной температуры на поверхности льда сохраняется тонкая жидкая плёнка благодаря дипольным взаимодействиям.