Учёные приблизились к разгадке тайны тонкого жидкого слоя на поверхности льда

Слева: Схема предплавленной плёнки на молекулах льда с конькобежцем. Справа: Изменения в структуре кристалла льда при повышении температуры. Автор: Луис Г. Макдауэлл.

Лёд в домашней морозильной камере радикально отличается от монокристаллов, образующихся в снежных облаках или даже на замерзшем пруду. При понижении температуры кристаллы льда могут принимать самые разные формы: от коренастых шестиугольных призм до плоских пластин и греческих колонн.

Однако причина этой структурной «американской горки» оставалась загадкой. Когда её впервые наблюдали, исследователи предположили, что она должна быть связана с гипотезой, предложенной знаменитым физиком Майклом Фарадеем: лёд ниже точки плавления имеет на своей поверхности микроскопически тонкий жидкий слой воды.

Эта «предплавленная плёнка» льда, однако, стала предметом серьёзных научных споров. На протяжении многих лет исследователи представляли противоречивые данные о её толщине и даже о самом её существовании.

В исследовании, опубликованном в The Journal of Chemical Physics, Луис Макдауэлл из Мадридского университета Комплутенсе попытался разрешить это противоречие.

Макдауэлл сосредоточился на фазовой диаграмме льда — представлении о том, как лёд, жидкая вода и пар существуют при различных температурах и давлениях. На ней есть одна крошечная точка, называемая тройной точкой, где все три фазы одинаково стабильны и сосуществуют в идеальном равновесии.

С помощью компьютерного моделирования Макдауэлл визуализировал движение молекул на поверхности льда. В тройной точке появлялась нанометровая плёнка. Тем не менее, многие эксперименты сообщали о гораздо более толстой плёнке. Макдауэлл предположил, что значительная часть разногласий о тонком водном слое связана с экспериментами, которые непреднамеренно проводятся в условиях, слегка отклоняющихся от равновесия.

«Равновесие — это точка, — сказал он. — Вы можете быть максимально близко, но никогда не находитесь прямо в ней. Даже крошечное отклонение может стать достаточно значительным, чтобы выйти из равновесия, что делает измерение этих вещей очень сложным».

Жидкая плёнка ограничена определённой толщиной вблизи этой точки равновесия из-за необычных плотностных свойств воды, при которых твёрдый лёд является энергетически более предпочтительным состоянием, чем жидкая вода.

Объединив теории из разных областей физики, Макдауэлл объяснил наблюдения за конденсацией капель жидкости на поверхности плёнки, демонстрирующей частичное смачивание, и теоретически обосновал, почему кристаллы льда растут столь причудливым образом.

«Эта последовательность переходов в форме снежных кристаллов связана с изменениями толщины предплавленной плёнки, происходящими на поверхности льда, — сказал Макдауэлл. — Она демонстрирует фазовые переходы на поверхности, и при каждом переходе происходит внезапное изменение свойств и скорости роста граней».

Поскольку верхняя грань и боковые стороны растут с разной скоростью, возникают различные формы кристаллов. Макдауэлл надеется, что его теория может быть применена в физике атмосферы и науке о трении, а также поможет понять, как работает катание на коньках.

Однако проблема ещё не решена полностью. Макдауэлл планирует исследовать, как трение влияет на скользкость льда и как примеси воздействуют на толщину плёнки.

Источник: American Institute of Physics