Исследователи из Германии оспорили предположение, существовавшее 200 лет, и доказали, что давление и трение не делают лёд скользким, вопреки тому, чему долгое время учили на уроках физики по всему миру. Новые выводы меняют представление физиков о фазовых переходах на границе твёрдого тела и жидкости.
Группа физиков под руководством доктора Мартина Мюзера, профессора в области моделирования материалов из Саарского университета, обнаружила, что истинная причина, по которой люди, животные и даже техника теряют сцепление со льдом, — это молекулярные диполи (молекулы, имеющие разделённые положительный и отрицательный электрические заряды).
Это открытие опровергает парадигму, установленную почти II столетия назад Джеймсом Томсоном, братом знаменитого британского математика лорда Кельвина. Именно Томсон предположил, что давление и трение способствуют таянию льда наряду с температурой.
«Оказывается, ни давление, ни трение не играют существенной роли в формировании тонкого слоя жидкости на поверхности льда», — заявил Мюзер.
Читайте: 70-летняя проблема термоядерного синтеза решена – Это остановит утечку электронов в реакторах
Переосмысление 200-летней теории
Мюзер и его коллеги, доктор Ашраф Атила, специалист по вычислительному материаловедению, и доктор Сергей Сухомлинов, постдокторант в области физики в университете, подчеркнули, что на протяжении поколений общепринятое объяснение скользкости льда было сосредоточено на давлении и трении.
Они добавили, что долгое время считалось, будто на обледенелых зимних тротуарах вес тела и тепло от подошв обуви создают достаточное давление для плавления поверхности, что в итоге и приводит к падениям.
Однако, согласно их новейшему исследованию, на самом деле именно взаимодействие между молекулярными диполями во льду и диполями на контактирующей поверхности, например, на подошве ботинка, нарушает структуру льда и делает его скользким.
Чтобы оспорить устоявшееся убеждение, команда использовала передовое компьютерное моделирование. Оно показало, что молекулярные диполи, возникающие из-за неравномерного распределения электронов между атомами в молекуле, являются ключевыми факторами в образовании скользкого слоя.
По словам учёных, молекулярный диполь возникает, когда в молекуле есть области с частичным положительным и частичным отрицательным зарядом, что придаёт ей общую полярность, направленную в определённую сторону.
Скользкий даже вблизи абсолютного нуля
Чтобы понять это явление, команда исследователей подробно рассмотрела процесс образования льда.
При температуре ниже точки замерзания молекулы воды организуются в жёсткую кристаллическую решётку (строго упорядоченную структуру атомов в твёрдом теле), выстраиваясь в высокоупорядоченный узор, который придаёт льду его твёрдую и структурированную форму.
Когда человек ступает на поверхность льда, скользкой её делает не давление или трение, а взаимодействие между молекулярными диполями в подошве обуви и диполями во льду. Этот контакт мгновенно нарушает ранее упорядоченную кристаллическую структуру, делая её нестабильной и гладкой.
«В трёхмерном пространстве эти диполь-дипольные взаимодействия становятся фрустрированными», — пояснил Мюзер, имея в виду физическое понятие, при котором конкурирующие силы мешают установлению стабильной, упорядоченной структуры.
На микроскопическом уровне эта фрустрация на границе льда и обуви разрушает кристаллическую решётку, делая её неупорядоченной, аморфной (не имеющей кристаллической структуры) и в конечном счёте жидкой. Более того, опровергая теорию Томсона, команда учёных также развенчала ещё одно распространённое заблуждение.
«До сих пор считалось, что катание на лыжах при температуре ниже –40 °C невозможно, потому что слишком холодно для образования тонкой смазывающей плёнки жидкости под лыжами», — сообщил Мюзер в пресс-релизе. «Это, как выяснилось, тоже неверно».
Он объяснил, что дипольные взаимодействия сохраняются даже при экстремально низких температурах. Примечательно, что жидкая плёнка всё ещё образуется между льдом и лыжей даже вблизи абсолютного нуля (теоретически самой низкой возможной температуры, –273,15 °C).
При таких температурах плёнка становится гуще мёда, и она слишком вязкая (густая, с высоким сопротивлением течению) для катания. Однако она всё же существует.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU