Скользко не значит мокро: у льда обнаружился эффект, который работает даже в лютый мороз

Лёд кажется обманчиво простым: холодный, твёрдый и скользкий. Но уже больше ста лет учёные спорят о том, почему он остаётся таким гладким даже при сильных морозах. Долгое время считалось, что секрет в тончайшей плёнке воды на поверхности, однако вопрос о том, как она возникает при экстремальном холоде, оставался без ответа. Теперь исследователи предложили новое объяснение, способное поставить точку в давнем научном споре. Об этом сообщает международное научное издание.

Старая загадка и новые сомнения

Классические учебники объясняли скользкость льда сразу несколькими механизмами. Один из них — плавление под давлением, когда лезвие конька или шина создаёт нагрузку, из-за которой лёд якобы тает. Другая версия говорит о поверхностном плавлении, при котором верхние молекулярные слои ведут себя как жидкость даже ниже нуля. Третья гипотеза связывает эффект со скрытым нагревом из-за трения.

Однако каждая из этих теорий оказалась неполной. Эксперименты показывают, что при быстром скольжении поверхность почти не нагревается, а давление само по себе не объясняет, почему лыжи легко скользят при температуре около -20 градусов. В результате между теорией и повседневным опытом возник разрыв, который десятилетиями оставался нерешённым.

Молекулярный взгляд на лёд

Команда учёных под руководством профессора Саарского университета Мартина Мюзера решила изучить проблему на уровне отдельных молекул. Для этого они использовали крупномасштабные компьютерные симуляции молекулярной динамики, позволяющие отслеживать поведение воды с высокой точностью. В расчётах применялась модель TIP4P/Ice, хорошо известная тем, что она корректно воспроизводит свойства как льда, так и жидкой воды.

Исследование началось с максимально простой конфигурации: два идеально плоских кристалла льда были прижаты друг к другу при температуре всего на 10 кельвинов выше абсолютного нуля. Даже в неподвижном состоянии на границе контакта возникали микроскопические области с пониженной энергией. Они появлялись там, где электрические диполи молекул воды на поверхности оказывались выгодно сориентированы относительно друг друга.

Что происходит при скольжении

Когда кристаллы начинали двигаться, именно эти области становились слабыми местами структуры. Кристаллический порядок вокруг них нарушался, а на их месте формировались новые зоны беспорядка дальше по траектории движения. Важно, что этот процесс не требовал ни значительного нагрева, ни наличия классических дефектов кристаллической решётки.

Открытая структура льда позволяет молекулам перестраиваться с минимальными энергетическими затратами. В результате на границе контакта возникал тонкий слой аморфного вещества, по своим свойствам напоминающего переохлаждённую воду. Его молекулярная организация совпадала с жидкой фазой, включая характерное увеличение числа ближайших соседей у молекул — признак утраты кристаллического порядка. При этом система слегка уплотнялась, что указывало на более высокую плотность этого слоя по сравнению с обычным льдом.

Почему "идеальный" лёд не скользит сам по себе

Учёные также проверили популярную идею структурной смазки, или суперскольжения, при которой две идеально гладкие, но несовпадающие решётки могут двигаться почти без трения. Теоретически это могло бы объяснить скольжение по льду без участия воды.

Однако расчёты показали, что для реального льда такой эффект не работает. Даже при несовпадении кристаллов и отсутствии влаги касательные напряжения оставались высокими — свыше 100 мегапаскалей при температуре около -10 градусов. Существенное снижение трения наблюдалось только тогда, когда между поверхностями появлялся достаточно толстый беспорядочный или жидкоподобный слой.

Сравнение с упрощённой моделью воды mW, не учитывающей ориентацию молекул, подтвердило вывод: даже минимальные примеси или дефекты резко увеличивают трение, разрушая условия для сверхнизкого сопротивления движению.

Движение важнее тепла

Одним из ключевых результатов стало понимание того, как растёт этот аморфный слой. Его толщина увеличивалась пропорционально квадратному корню из пройденного пути скольжения. Это указывает на процесс, зависящий не от температуры, а от самого движения. Каждое микроскопическое смещение даёт молекулам шанс покинуть свои позиции в решётке, а по мере утолщения слоя дальнейшее разрушение структуры замедляется.

Таким образом, скользкость льда объясняется не таянием, а локальным разрушением кристаллической структуры под действием движения. Этот механизм объединяет разрозненные наблюдения и показывает, что лёд может оставаться скользким даже в экстремальном холоде, не превращаясь при этом в жидкость.