Всё о науке за 60 минут

Вода во всех ее формах – очень своеобразное вещество, чье поведение не соответствует ни одному из тех, которые мы ожидаем от обычных веществ. А что делает воду еще более странной, так это наша близость к ней. Ведь это химическое вещество, с которым мы знакомы лучше всех. Вода буквально пронизывает нашу повседневную жизнь, но при этом надежно хранит свои тайны. Вот, например, одна из них: почему замерзшая вода, то есть лед, скользкая?

Существует классическое объяснение скользкости льда, которое было очень распространено в учебниках и интернете. Звучит оно так: стоя на льду, вы оказываете на него давление, заставляющее его таять; так образуется слой гладкой жидкой воды, по которой вы и скользите. Традиционно это объяснение сопровождается демонстрацией того, что давление действительно заставляет лед таять.

Через ледяной блок, поддерживаемый с обоих концов, перекинута проволока. На каждом конце этой проволоки подвешены тяжелые грузы. Они создают то высокое давление, которое проволока оказывает на лед. Давление понижает температуру плавления льда непосредственно под проволокой до температуры ниже обычной точки замерзания, а затем и ниже температуры окружающей среды. В результате лед под проволокой тает, и она очень медленно прорезает ледяную глыбу. Если все сделано правильно, по мере того как проволока врезается в блок, жидкая вода, образующаяся за счет давления, снова замерзает над проволокой, и блок остается целым. Проволока проходит сквозь ледяную глыбу, целостность которой сразу восстанавливается.

К сожалению, если вы честно примените физику к этой во всех смыслах скользкой теме, к примеру к человеку на коньках, у вас ничего не сложится. Давление, создаваемое коньком, составляет лишь малую долю того, что создается тонкой проволокой с утяжелением. Поэтому при катании на коньках температура плавления льда снижается лишь на незначительную величину, примерно на 0,02 °C. Однако коньки скользят по льду при температурах гораздо ниже нуля, так что теория давления не может объяснить, почему лед скользкий в данном случае.

За последние несколько десятилетий появилась пара различных объяснений, подкрепленных экспериментальными данными. В 1996 году Габор Соморджай из Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Беркли решил заняться этим вопросом. Он начал с обоснованного предположения о том, что лед скользкий потому, что его поверхность смазана жидкой водой. Наш повседневный опыт подтверждает это, ведь когда вы, скажем, вытаскиваете кубик льда из морозильной камеры, он уже имеет влажную и скользкую поверхность. Однако если вы исследуете кубик льда при температуре значительно ниже нуля, то не увидите там знакомого блеска воды. В таких условиях лед становится твердым, как камень, но при этом все равно остается скользким. Доктор Соморджай решил проверить это, направив на очень холодный лед пучки электронов. Теоретически поверхность льда должна быть на 100 % твердой, но отраженный пучок электронов создавал узор, свидетельствовавший о наличии на поверхности льда жидкости. Родившееся объяснение состояло в том, что молекулы воды на поверхности льда просто не удерживаются столь же плотно, как в глубине, и могут свободно перемещаться, как в жидкости. Это дополнительное движение и создает слой жидкой воды толщиной в несколько молекул на поверхности даже самого холодного льда. Конечно, слой слишком тонкий, чтобы его можно было увидеть, но его достаточно, чтобы сделать скользким любой лед независимо от его температуры.

И, казалось бы, все сложилось, но несколько лет спустя, в 2002 году, Мигель Сальмерон, коллега доктора Соморджая из лаборатории в Беркли, использовал последнюю модификацию изобретенного ранее сканирующего атомно-силового микроскопа для определения рельефа поверхности льда. В первых версиях микроскопов этого типа было что-то вроде крошечной иглы проигрывателя грампластинок, которая перемещалась по поверхности. Ее отклонение фиксировалось по изменению величины тока, и результаты записывались. В частности, такой микроскоп мог дать представление о том, насколько шероховата поверхность в почти атомарном масштабе. Доктор Сальмерон обнаружил, что поверхность льда в атомарном масштабе не гладкая, а скорее шероховатая. А значит, малейшее движение по льду порождает трение с его шероховатой поверхностью, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла. Это, по предположению Сальмерона, и было тем, что смазывало лед. Трение на атомарном уровне создает тепло, которое плавит поверхность льда, делая его скользким.