Лёд становится скользким не из-за давления или трения, а из-за скрытых сил на молекулярном уровне. Новые исследования показывают, что дипольные взаимодействия неожиданным образом нарушают структуру льда. Фото: Shutterstock

Почти два столетия учёные считали, что лёд становится скользким из-за того, что под давлением или трением его поверхность тает. Новое исследование Саарского университета опровергает эту идею.

Уже более века студентам по всему миру говорят, что лёд тает под воздействием давления и трения. Знакомое всем зимнее скольжение по обледенелому тротуару часто объясняют тем, что вес тела давит на подошву (ещё тёплой) обуви. Новое исследование Саарского университета показывает, что эта точка зрения неполная. Скольжение возникает из-за взаимодействия между молекулярными диполями во льду и на соприкасающейся поверхности, например на подошве обуви, а не из-за давления или трения.

Исследование, проведённое профессором Мюзером и его коллегами Ашрафом Атилой и Сергеем Сухомлиновым, ставит под сомнение модель, предложенную почти двести лет назад братом лорда Кельвина Джеймсом Томпсоном. Он предположил, что давление и трение, наряду с температурой, вызывают таяние льда.

«Оказывается, ни давление, ни трение не играют существенной роли в формировании тонкого слоя жидкости на льду», — объясняет Мартин Мюзер. Вместо этого компьютерное моделирование, проведённое командой, показало, что ключевую роль в формировании этого скользкого слоя, из-за которого мы так часто теряем равновесие зимой, играют молекулярные диполи.

Физика диполей

Но что такое диполь? Молекулярный диполь возникает, когда в молекуле есть области с частичным положительным и частичным отрицательным зарядом, что придаёт молекуле общую полярность, направленную в определённую сторону.

Чтобы лучше понять, что происходит, нужно знать, как устроен лёд. При температуре ниже нуля градусов по Цельсию молекулы воды (H₂O) выстраиваются в высокоупорядоченную кристаллическую решётку, в которой все молекулы аккуратно расположены друг относительно друга, образуя твёрдую кристаллическую структуру.

На иллюстрации показано, что происходит на поверхности льда, когда с ней соприкасается другой предмет, например лыжи, коньки или подошва обуви: упорядоченная кристаллическая структура молекул воды внезапно разрушается. Источник: AG Mueser

Когда кто-то наступает на эту упорядоченную структуру, верхний слой молекул разрушается не из-за давления или трения обуви, а из-за взаимодействия диполей в подошве обуви с диполями во льду. Ранее упорядоченная структура внезапно становится неупорядоченной.

«В трёхмерном пространстве эти диполь-дипольные взаимодействия становятся „фрустрированными“», — говорит Мюзер, имея в виду концепцию в физике, согласно которой конкурирующие силы не позволяют системе достичь полностью упорядоченной стабильной конфигурации.

На микроскопическом уровне силы, действующие между диполями во льду и в материале подошвы обуви, разрушают упорядоченную кристаллическую структуру на границе между льдом и подошвой, в результате чего лёд становится неупорядоченным, аморфным и в конечном счёте жидким.

Переосмысление физики низких температур

Исследование команды не только опровергает знания, которые считались верными на протяжении почти 200 лет, но и развенчивает ещё одно заблуждение. «До сих пор считалось, что кататься на лыжах при температуре ниже –40 °C невозможно, потому что слишком холодно для образования тонкой плёнки смазки под лыжами. Как оказалось, это тоже неверно», — объясняет профессор Мюзер.

«Дипольные взаимодействия сохраняются при экстремально низких температурах. Примечательно, что на границе между льдом и лыжей всё равно образуется жидкая плёнка — даже при абсолютном нуле», — говорит Мюзер. Однако при таких низких температурах плёнка более вязкая, чем мёд. Мы бы вряд ли узнали в ней воду, и кататься на ней было бы практически невозможно, но плёнка всё равно существует.

Для человека, получившего травму из-за того, что поскользнулся и упал зимой, вряд ли имеет значение, что стало причиной: давление, трение или диполи. Но для физики это различие имеет решающее значение. Последствия этого открытия, сделанного исследовательской группой из Саарланда, ещё предстоит оценить, и научное сообщество уже обратило на него внимание.

Ссылка: «Холодная самосмазка скользящего льда» Ахрафа Атилы, Сергея В. Сухомлинова и Мартина Х. Мюзера, 7 августа 2025 г., Physical Review Letters. DOI: 10.1103/1plj-7p4z