Лишь благодаря тому, что лёд скользкий, возможны такие зрелищные виды спорта, как хоккей с шайбой или фигурное катание. Однако детальное и объективно подтверждённое понимание того, почему по льду настолько просто скользить, появилось у человечества совсем недавно.
Дигидрогена монооксид (H₂O) во всех своих агрегатных состояниях — вообще чрезвычайно нерядовое вещество. Достаточно напомнить, что в твёрдой фазе (лёд) его плотность ниже, чем в жидкой (собственно вода) — в отличие от подавляющего большинства других веществ. Именно поэтому лёд остаётся на поверхности водоёмов, если морозы недостаточно сильны, чтобы остудить весь их объём.
Лёд отличается от множества других твёрдых тел своей крайне скользкой поверхностью. Неплохо можно скользить и по графиту — но в его случае низкое сопротивление поверхности скольжению объясняется плоской структурой кристаллической решётки с очень слабыми вертикальными связями между соседними горизонтальными слоями.
Мельчайшие плоские чешуйки графита при приложении внешней силы отрываются и служат своего рода сухой смазкой для скользящего тела. Лёд же обладает вполне объёмной кристаллической структурой, довольно близкой по конструкции той решётке, которую составляют под чудовищным давлением атомы углерода, образуя алмаз. Почему же тогда по льду так хорошо удаётся скользить?
В конце XIX века этим вопросом заинтересовался Джеймс Томасон, британский натуралист-любитель, который занимался наукой в свободное от основной работы время. Занимал он в ту пору пост лейтенант-губернатора Северо-западных провинций Британской Индии и снискал почёт и уважение местных жителей тем, что организовал за десяток лет своего правления около тысячи начальных школ, заложив тем самым основы системы народного просвещения в стране.
Джеймс Томасон предположил, что всё дело в давлении. Опираясь на узкое лезвие конька, стоящий на льду человек оказывает на него избыточное (вдобавок к атмосферному) давление. А под давлением температура плавления льда ожидаемо ниже, чем при нормальных условиях. Всё вроде бы логично. Однако несложный расчёт показывает: чтобы довести температуру плавления льда с 0 °С до ‒3,5 °С, придётся повысить давление на него до 466 атмосфер. Одному человеку, даже стоящему на очень узких коньках, сделать это затруднительно, — а ведь лёд скользит и под самыми обычными ботинками.
В 1939 г. британские же физики Ф. П. Бауден и Т. П. Хьюис опубликовали в Proceedings of The Royal Society A статью, в которой предложили новый механизм скольжения по льду. А именно — фрикционное таяние: превращение льда в воду под воздействием теплоты, которая неизбежно выделяется из-за трения, сопровождающего скольжение. И всё было бы замечательно, если бы не простой наблюдательный факт: лёд остаётся скользким, даже если на нём просто стоять.
Работа Баудена и Хьюиса, хотя и не разрешила полностью загадку скольжения по льду, заставила припомнить давнее (1850 г.) наблюдение Майкла Фарадея — который заметил, что два кубика льда, плотно прижатые один к другому и помещённые в холодильник, накрепко смерзаются. Фарадей предположил, что на поверхности льда при температурах ниже точки замерзания каким-то образом сохраняется тонкий слой жидкой воды. Если по другую стороны этого слоя оказывается такой же лёд, вода быстро промерзает и затвердевает. Если воздух — остаётся жидкой.
Великому физику не удалось в своё время объяснить природу этого явления на молекулярном уровне, и о его догадке надолго забыли. Только в 1949 г. её обосновал американский химик С. Гурни: он указал на нестабильность молекул кристаллической решётки льда в самом внешнем её слое. Кристаллическая структура такой конфигурации вполне устойчива в глубине, однако на поверхности часть молекул в её внешних «болтающихся» узлах уже не так сильно связана с соседними.
В результате при не слишком низких температурах, от 0 до примерно ‒35 °С, самому внешнему слою льда, толщиной буквально в считанные молекулы, энергетически выгоднее оказывается перейти в жидкое состояние. Именно таким образом на поверхности льда появляется незримая, но вполне ощутимая водяная плёнка.
Только в 2004 г. германский учёный Харальд Рейхерт с использованием отражательной рентгеноскопии впервые сумел измерить плотность тончайшего поверхностного слоя водяного льда. При 0 °С она оказалась в точности такой же, как у жидкой воды. При ‒17 °С увеличилась до 1,16 г/см³, что соответствует высокоплотному аморфному льду, а не классической твёрдой его фазе, как в глубине исследуемой льдинки.
И лишь в 2017 г. в университете Амстердама исследователям впервые удалось непосредственно увидеть, что же представляет собой загадочная сверхтонкая плёнка на поверхности самого обыкновенного льда. Они применили одну из разновидностей нелинейной лазерной спектроскопии (SFG, sum-frequency generation spectroscopy) и выяснили, что при 0 °С лёд покрывает слой воды толщиной буквально в четыре молекулы.
С понижением температуры толщина его уменьшается: при ‒30 °С уже до двух молекул, а при ещё более низких температурах неустойчивые колебания «болтающихся» узлов крайнего слоя кристаллической решётки прекращаются — и лёд перестаёт быть скользким. Вот почему в особенно сильные морозы, под минус сорок и ниже, прокатиться по ледяной проплешине на асфальте на подошвах ботинок уже не выйдет: слишком высоко окажется трение в отсутствие водяного микрослоя. Но при таких температурах спортивные состязания обычно и не проводят.