Загадка льда разгадана: что происходит на молекулярном уровне при скольжении

На льду бывает достаточно одного неловкого шага, чтобы почувствовать, как подошва "уплывает" в сторону. При этом скользкость сохраняется даже в сильный мороз, когда таяние кажется невозможным.

Фото: commons.wikimedia.org by Sergey Pesterev, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

Озеро Байкал, зима

Новая работа предлагает объяснение, почему для скольжения льду не обязательно превращаться в воду. Об этом пишет The Brighter Side of News.

В чём суть нового объяснения

Исследование под руководством Мартина Мюзера, профессора Саарского университета, опирается на крупномасштабное компьютерное моделирование. Учёные показали, что при движении кристаллическая решётка льда может локально "ломаться", образуя тонкий неупорядоченный слой, который по свойствам напоминает переохлаждённую жидкость. Важно, что это происходит даже при очень низких температурах, то есть без классического плавления.

Результаты опубликованы в Physical Review Letters. Авторы рассматривают такой слой как динамически возникающую "зону аморфизации", которая облегчает сдвиг поверхностей относительно друг друга.

Почему старые версии не закрывали вопрос полностью

Долгое время в учебниках фигурировали три основных механизма. Первый — таяние под давлением, когда конёк или шина на мгновение расплавляют лёд. Второй — поверхностное таяние, при котором верхние молекулярные слои ведут себя более "жидко" даже при отрицательных температурах. Третий — нагрев от трения, то есть образование воды из-за локального разогрева.

Проблема в том, что эти версии по отдельности не объясняют все ситуации. Эксперименты указывают: при быстром скольжении нагрев может быть небольшим, а одной только "давилки" недостаточно, чтобы объяснить, например, скольжение лыж при серьёзном минусе.

Что показали симуляции на молекулярном уровне

Команда использовала молекулярно-динамические расчёты: такие модели отслеживают движение отдельных молекул воды при заданных условиях. В упрощённой постановке два плоских кристалла льда прижали друг к другу при экстремально низкой температуре, а затем задали скольжение.

Сначала на границе возникали крошечные области с более выгодной энергетикой — там, где диполи молекул ориентировались особенно удачно. После начала движения именно эти участки становились "слабыми местами": решётка деформировалась, теряла порядок, старые зоны исчезали, а новые появлялись дальше по траектории. Так формировался тонкий слой с водоподобной структурой и признаками высокой неупорядоченности.

Практический вывод для "скользких" материалов

Авторы отдельно проверили популярную идею "суперскольжения" для идеально гладких кристаллов и пришли к выводу, что для реалистичного льда низкое трение появляется только тогда, когда на границе уже есть достаточно толстый неупорядоченный или жидкоподобный слой. В прикладном смысле это означает: важны не только температура и давление, но и то, как именно поверхность взаимодействует с водой — например, гидрофильность и гидрофобность покрытия.