Испанский физик наконец разгадал тайну «невидимой оболочки» льда

Задумайтесь на минутку о кубиках в вашей морозильной камере. Это, конечно, лед, но его структура не похожа ни на структуру монокристаллов, образующихся в снежных облаках, ни на замерзший слой, которым зимой покрыт пруд. А когда температура падает, кристаллы льда превращаются в своего рода структурные «американские горки»: они могут расти. принятие форм из прочных шестиугольных призм, превратившихся в плоские пластины или даже возведенных в виде прекрасных греческих колонн.

Почему это происходит? Что делает одну снежинку идеальной звездой, а другую — столбом? Такое поведение долгое время было абсолютной загадкой для учёных, пытавшихся его понять.

Когда первые исследователи наблюдали это явление, они сразу же вспомнили старую гипотезу, предложенную в XIX веке одним из отцов современной физики Майклом Фарадеем. Лед, даже когда его температура плавления ниже точки плавления, всегда имеет на поверхности микроскопически тонкий слой жидкой воды. Этакая невидимая влажная «кожа».

Два столетия споров

Эта предполагаемая «пленка предварительного плавления» могла бы объяснить многие вещи, в том числе, почему лед скользкий (редкость, поскольку мы обычно не скользим по граниту или стали). Однако природа и даже само существование этого слоя были предметом ожесточенных и длительных научных споров.

Фактически, на протяжении десятилетий лаборатории по всему миру давали противоречивые результаты. Некоторые эксперименты утверждали, что слой жидкости существует и что он также толстый; другие говорят, что оно настолько прекрасно, что едва ли можно сказать, что оно действительно существует. Но что такое истина? Казалось, по крайней мере в этом вопросе физика зашла в тупик. До настоящего времени.

Возможное решение загадки пришло от руки испанского учёного Луиса Макдауэлла, исследователя из Университета Комплутенсе, который, похоже, нашёл ключ, примиряющий все эти противоречия и положивший конец спорам. Результаты их исследования только что были опубликованы в журнале ‘Журнал химической физики‘.

Точка, где все совпадает

Чтобы распутать этот подлинный гордиев узел, Макдауэлл решил не смотреть непосредственно на лед как таковой, а сосредоточиться на его фазовой диаграмме, той «карте», которую физики используют, чтобы узнать, как сосуществуют лед, жидкая вода и пар в зависимости от температуры и давления. И оказывается, что на этой карте есть «волшебное» место, крохотная точка, называемая «тройной точкой», где три фазы одинаково стабильны и сосуществуют в идеальном равновесии. Это тонкая граница, где вода не очень хорошо «знает», как вести себя — как газ, как жидкость или как твердое тело.

Используя передовое компьютерное моделирование, испанскому исследователю удалось визуализировать движение молекул на поверхности самого льда. И он заметил, что прямо в тройной точке действительно появилась пленка, хотя и необычайно тонкая, толщиной всего в нанометр. То есть одна миллиардная метра.

И именно здесь, в той невидимой точке, возникает историческая проблема. Фактически, если моделирование показывает почти незаметный слой жидкости, почему многие реальные физические эксперименты сообщают о гораздо более толстой пленке с гораздо большим количеством жидкой воды?

Ловушка баланса

Оригинальность работы Макдауэлла заключается именно в объяснении этого несоответствия. По мнению исследователя, историческая путаница связана с тем, что большинство экспериментов непреднамеренно проводятся несколько вне равновесия.

«Баланс – это одна точка», – говорит Макдауэлл. Вы можете быть как можно ближе, но никогда прямо там. «Даже малейшее отклонение может выйти из равновесия, что очень затруднит измерение этих вещей».

Это было бы похоже на попытку сбалансировать мяч прямо на вершине пирамиды. Малейшее дуновение воздуха, малейшая вибрация сместят его. То же самое происходит и в лаборатории. При малейшем отклонении от тройной точки условия резко меняются, и слой жидкости кажется утолщающимся.

В исследовании уточняется, что жидкая пленка имеет очень ограниченную толщину вблизи точки равновесия из-за необычных свойств плотности воды. В таких специфических условиях твердый лед является «энергетически предпочтительным» состоянием по сравнению с жидкой водой. Другими словами: природе приходится «усилиться», чтобы сохранить эту воду в жидком состоянии на замерзшей поверхности.

Но это открытие не остается только в молекулярной теории. Напротив, Макдауэлл, объединив теории разных физических дисциплин, сумел объяснить и макроскопические явления, то есть наблюдаемые невооруженным глазом. Например, он мог видеть, как маленькие капли жидкости конденсируются на этой пленке, вызывая «частичное смачивание».

И здесь мы возвращаемся к снежинкам и греческим колоннам, потому что упомянутые вначале «американские горки» форм берут свое начало именно здесь, в этом невидимом слое.

«Эта последовательность переходов формы снежных кристаллов, — поясняет Макдауэлл, — связана с изменениями толщины предтающей пленки, происходящими на поверхности льда. «Он демонстрирует поверхностные фазовые переходы, и при каждом переходе происходит внезапное изменение свойств и скорости роста поверхностей».

Чтобы лучше это понять, представим, что они строят кирпичное здание (ледяной кристалл). Если «цемент» (жидкий слой) внезапно изменит свои свойства и станет более скользким или липким на одной стороне здания, эта стена будет расти с другой скоростью, чем другие. Поскольку грани и стороны кристалла растут с разной скоростью, что обусловлено поведением этого микрослоя, возникают такие несопоставимые геометрические формы: от колонн до плоских пластин.

Конец тайны?

Макдауэлл надеется, что его работа теперь может быть применена к физике атмосферы (фундаментальной для понимания климата), к науке о трении и даже к лучшему пониманию механики катания на коньках — спорта, в основе которого лежит физическая странность, которую, честно говоря, мы до сих пор не до конца понимаем.

Тем не менее, как признает сам Макдауэлл, проблема не решена полностью. Поэтому теперь исследователь планирует изучить, как трение влияет на скользкость льда и, что является решающим фактором в реальном мире, как примеси влияют на толщину этой пленки. Потому что в природе вода никогда не бывает совершенно одна. Исследование, и это несомненно, подтверждает, что Фарадей был прав, хотя реальность гораздо более сложна и тонка, чем он когда-либо мог себе представить.