Лёд оказался не таким твёрдым, как казался: микрослой воды десятилетиями скрывал секрет кристаллов

Лёд кажется простым и хорошо изученным веществом, однако за его прозрачной поверхностью скрываются процессы, которые десятилетиями вызывали споры среди физиков. Формы снежинок, рост кристаллов и противоречивые данные экспериментов долго не удавалось объединить в единую теорию. Теперь испанский исследователь утверждает, что приблизился к решению этой давней научной задачи. Об этом сообщает The Journal of Chemical Physics.

Почему кристаллы льда бывают разными

Физик Мадридского университета Комплутенсе Луис Макдауэлл связывает разнообразие форм льда с тончайшим слоем жидкой воды, который существует на его поверхности даже ниже точки плавления. Эта предплавильная плёнка влияет на скорость роста кристаллов и, как следствие, на их геометрию. При одних условиях формируются плоские шестигранники, при других — вытянутые призмы или колоннообразные структуры.

Подобные различия заметны и в повседневной жизни. Лёд в морозильной камере отличается от снежинок в атмосфере или корки на замёрзшем водоёме. Эти особенности важны не только для теории, но и для понимания поведения ледников, данные о которых сегодня сохраняются в проектах наподобие ледяного архива Антарктиды.

От гипотезы Фарадея к проблеме измерений

Идея жидкого слоя на поверхности льда восходит к работам Майкла Фарадея. Он предполагал, что даже твёрдый лёд не полностью лишён воды. Однако эксперименты последних десятилетий давали противоречивые результаты: разные исследования фиксировали различную толщину плёнки или вовсе не находили её.

Чтобы разобраться в этом, Макдауэлл обратился к фазовой диаграмме воды и сосредоточился на тройной точке, где лёд, жидкость и пар находятся в равновесии. Компьютерное моделирование показало появление устойчивого нанометрового слоя воды на поверхности льда.

"Равновесие — это точка, к которой можно лишь приблизиться. Даже небольшое отклонение нарушает измерения", — объяснил Луис Макдауэлл.

Что меняет скорость роста льда

По расчётам учёного, толщина предплавильной плёнки ограничена физическими свойствами воды. Лёд остаётся энергетически более выгодным состоянием, а жидкий слой перестаёт расти при достижении определённого предела. Это напрямую отражается на скорости роста кристаллов и их форме.

Похожие процессы наблюдаются и в крупных ледниковых системах, где скрытые каналы таяния подо льдом способны влиять на устойчивость ледяных массивов.

"Изменение толщины плёнки запускает фазовые переходы, которые резко меняют свойства граней льда", — отметил исследователь.

В итоге разные стороны кристалла растут с разной скоростью, формируя привычное разнообразие снежных структур. Теория Макдауэлла согласуется с идеями Фарадея и придаёт им более строгую физическую основу.

В дальнейшем эта модель может найти применение в метеорологии и физике трения. Сам учёный планирует изучить влияние примесей и трения на скользкость льда, чтобы приблизиться к объяснению ещё одной старой загадки — механизма катания на коньках.