Почему лёд такой скользкий? Простейшая загадка ставит науку в тупик 2 века — но новое открытие разрушает все теории

Почему один человек легко разгоняется по гладкому катку, а другой едва удерживается на ногах на обледенелой тропинке? Исследователи давно сошлись хотя бы в одном: поверхность льда никогда не бывает полностью «сухой». Её покрывает тончайшая жидкая плёнка, которая и создаёт ощущение скольжения. Но откуда она берётся — вопрос куда сложнее, чем кажется. За два века появилось несколько объяснений, каждое из которых выглядело убедительным, пока очередные эксперименты не заставляли усомниться в прежних выводах. В этом году к трем старым версиям добавилась ещё одна — её предложили немецкие физики. Однако общего понимания всё ещё нет, и происхождение скользкости остаётся открытым.

Первое объяснение появилось в середине XIX века. Джеймс Томсон предположил, что жидкий слой возникает именно в момент контакта. По его мнению, давление от ботинка или лезвия конька снижает температуру плавления, и поверхность начинает слегка подтаивать. Позднее его брат Уильям, будущий лорд Кельвин, подтвердил связь между давлением и этой точкой перехода. На бумаге механизм выглядел логично: чем сильнее нагрузка, тем легче образуется тонкая прослойка воды.

Но позже, в 1930-х, расчёты Фрэнка Боуэна и Томаса Хьюза показали, что обычный человек, даже на лыжах, создаёт слишком слабое давление, чтобы оно могло заметно повлиять на плавление. Чтобы теория работала так, как описывал Томсон, лыжник должен был бы весить несколько тонн. В итоге объяснение оказалось красивым, но несостоятельным.

Тогда же возникла другая идея — тонкая плёнка появляется из-за тепла, выделяющегося при трении. Боуэн и Хьюз построили громоздкую установку в ледяной пещере в Альпах и начали измерять сопротивление между льдом и разными материалами. Оказалось, что латунь, хорошо проводящая тепло, скользит хуже эбонита, который нагревается значительно меньше. Из этого они сделали вывод: если материал быстро отводит тепло, льду попросту нечем плавиться. Значит, источник мокрой плёнки — именно нагрев при трении.

Эта версия долго оставалась в учебниках, но её постепенно начали ставить под сомнение. Достаточно вспомнить, что лёд бывает скользким сразу, без какого-либо движения. На катке конёк начинает ездить в тот момент, когда касается поверхности. Чтобы проверить это, группа Даниэля Бонна из Амстердама создала миниатюрный каток под микроскопом. Металлический цилиндр — замену лезвию — вращали с разной скоростью, измеряя силы, которые возникают при движении. Если бы трение играло главную роль, увеличение скорости должно было менять толщину плёнки. Но результаты показали обратное: скользкость оставалась почти одинаковой. Значит, нагрев — не главный механизм.

Когда стало ясно, что первые две идеи объясняют только часть явления, учёные вспомнили старое наблюдение Майкла Фарадея. Он заметил, что два кубика льда легко слипаются, а тёплая ладонь буквально прилипает к поверхности. Фарадей объяснял это тем, что на открытых гранях присутствует тонкий подвижный слой, ведущий себя как жидкость, хотя остальная масса остаётся твёрдой. Позже другие исследователи предположили, что молекулы на границе действительно обладают большей свободой: у них меньше соседей, чем внутри кристалла, и они проще смещаются. Такая мягкая плёнка делает поверхность более скользкой.

Сегодня большинство учёных признают существование этого слоя, особенно рядом с нулевой температурой. Но его роль обсуждается до сих пор. Чтобы разобраться, испанский физик Луис Макдауэлл вместе с коллегами выполнил подробное моделирование, наблюдая, как ведут себя отдельные атомы льда. В компьютерной модели действительно появлялась жидкая прослойка толщиной всего в несколько молекул — именно такой эффект описывают как pre-melting (предтаяние).

Более того, слой становился толще, когда по поверхности проходил тяжёлый объект, что напоминало старую идею о давлении. А при низких температурах возникали локальные следы подогрева, которые можно связать с трением. Макдауэлл пришёл к выводу, что в разных условиях могут работать все три механизма сразу.

Вскоре появилась новая гипотеза, предложенная группой из Саарбрюкена. Исследователи решили проверить, что происходит при скольжении, если полностью исключить плавление. Они моделировали движение поверхностей при очень низких температурах, где никакая водяная плёнка возникнуть не могла. Но лёд всё равно оставался скользким. Чтобы понять причину, учёные обратились к работам по твёрдым материалам. Например, давно известно, что при трении алмазов на границе может возникать аморфный слой — поверхностные атомы покидают свои позиции в решётке и образуют беспорядочную структуру, более похожую на жидкость.

Моделирование льда показало схожую картину. Когда две замороженные поверхности начинали сдвигаться, молекулы в зоне контакта образовывали крошечные связи, которые тут же рвались и появлялись вновь. Постепенно кристаллический порядок исчезал, и на поверхности возникал аморфный слой, работающий как смазка. Причём эффект усиливался, если материал на другой стороне сильнее притягивал молекулы воды.

Позднее группа повторила моделирование с неровной поверхностью — результат оказался тем же: при скольжении структура разрушалась, оставляя подвижный аморфный слой. По мнению авторов работы, именно такие механические изменения объясняют скользкость в сильный мороз, когда другие механизмы практически исключены.

Эти выводы заинтересовали даже сторонников предыдущих теорий. Макдауэлл считает механизм аморфизации убедительным, хотя, по его мнению, он проявляется при высоких скоростях. Даниэль Бонн, напротив, уверен, что новая модель хорошо согласуется с его экспериментами: в его работах важную роль также играла подвижность молекул на поверхности. Один из соавторов немецкой статьи не согласен и считает, что механизмы всё-таки различаются, несмотря на схожий итог.

Споры продолжаются, и исследователи признают: понимание стало глубже, но окончательного ответа нет. Одни и те же явления можно описывать разными терминами, что только запутывает картину. К тому же учёные не всегда обсуждают расхождения напрямую, из-за чего общая картина складывается медленно. Поэтому даже такая привычная вещь, как ледяная дорожка, остаётся для науки задачей, в которой ещё предстоит поставить последнюю точку.