СЕМЬ ИСКУССТВ

Вода представляет собой уникальный растворитель, играющий ключевую роль в возникновении и поддержании жизни на планете Земля. Её основные химические свойства, природа фазовых состояний, участие в химических реакциях, а также физическое поведение в объёме и на поверхности продолжают оставаться предметом глубокого изучения в научных лабораториях по всему миру.

Феликс Симоновский-Кукуй

УЧИТЬСЯ У ПРИРОДЫ

(продолжение. Начало в № 12/2025)

Часть 2

Почему лёд скользкий

Предисловие

В статье «Учиться у природы», опубликованной в декабрьском номере журнала «Семь искусств» за прошлый год, была предпринята попытка объяснить причины и механизмы ряда явлений, лежащих в основе уникальных свойств материалов, созданных природой либо разработанных в научно-исследовательских лабораториях с использованием принципов, заложенных самой природой. Темы, затронутые в статье, вызвали живой интерес у читателей. Многие из них задавали схожие вопросы о планах дальнейшего рассмотрения других интересных явлений и необычных свойств известных материалов и веществ. Идя навстречу этим пожеланиям, мы решили продолжить данную рубрику.

В зависимости от объема материала последующие статьи, объединенные под рубрикой «Учиться у природы», будут посвящены либо одному конкретному примеру, либо нескольким явлениям или свойствам. Некоторые механизмы этих явлений достаточно хорошо изучены, с другими широкая публика знакома лишь понаслышке, а о некоторых читатели, возможно, никогда не слышали. Мы попытаемся ответить на такие, казалось бы, простые вопросы: почему лед скользкий, что происходит с материалом в процессе его разрушения или разрыва, почему клейкая лента при отрывании издает характерный скрипящий звук?

Еще один интереснейший природный феномен связан с современными представлениями об агрегатных состояниях воды. Казалось бы, об этом известно каждому старшекласснику, изучающему физику природных явлений. Однако и здесь все оказывается далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд.

В дальнейшем мы также планируем рассмотреть специфическую проблему, возникающую при проведении хирургических операций на сосудах, а также ее оригинальное решение, недавно защищенное патентом. В этом исследовании автор принимал непосредственное участие. В частности, мы попытаемся показать, каким образом понимание и использование принципов, заложенных природой, помогли исследователям решить возникшую техническую задачу.

Однако это лишь своего рода анонс тем, о которых пойдет речь в последующих публикациях данной рубрики. В настоящей статье мы рассмотрим одну из упомянутых выше тем — почему лед скользкий — и расскажем о современных теориях механизма скольжения, а также об экспериментах, подтверждающих или опровергающих различные гипотезы, объясняющие причины этого свойства льда.

Исследования второй половины XIX и первой половины XX века

Всем известно, что скользить по льду или снегу гораздо легче, чем по большинству других поверхностей. Но почему ледяная поверхность скользкая? Этот вопрос занимает учёных уже более двух столетий и продолжает оставаться предметом дискуссий до настоящего времени.

Казалось бы, вопрос простой. Не менее прост и ответ, который многим из нас приходилось слышать неоднократно: при скольжении предмета по льду в результате трения происходит разогрев поверхности, и в зоне контакта образуется тонкая плёнка жидкой воды, играющая роль своеобразной смазки.

В целом все исследователи, занимавшиеся этой проблемой, были согласны с тем, что именно этот смазывающий жидкий слой делает лёд скользким. Их рассуждения сводились к следующему: вода, покрывающая гладкую поверхность, способствует скольжению предметов, поскольку является жидкостью с низкой вязкостью. В жидкой воде отсутствуют постоянные межмолекулярные связи, а временные связи относительно слабы, что позволяет молекулам свободно перемещаться, легко скользить относительно друг друга и заполнять любые микроскопические углубления и трещины, которые могли бы препятствовать движению объекта.

Однако на самом деле всё не так просто. Если бы причина скользкости льда была очевидна, вокруг неё не велись бы многовековые научные споры. Даже учёные расходятся во мнении относительно того, почему и каким образом образуется этот смазывающий слой. А это уже значительно более сложный вопрос.

В течение долгого времени существовал консенсус, согласно которому жидкая вода на поверхности льда действительно снижает трение скольжения, однако её образование обусловлено не давлением, а теплом, выделяющимся при трении в процессе скольжения. Казалось бы, давно доказано, что при скольжении предмета по льду происходит его локальное плавление. Но происходит ли оно исключительно вследствие трения? Может быть, дополнительную роль все же играет давление, оказываемое скользящим предметом? Или существует ещё какое-то дополнительное взаимодействие между молекулами на поверхности льда и окружающим воздухом?

Действительно, имеются доказательства воздействия всех перечисленных факторов. Однако каков вклад каждого из них и каковы механизмы их действия?

Рассмотрим три основные теории плавления льда, обсуждавшиеся на протяжении последних двух столетий. Кроме того, недавно было предложено новое объяснение, вообще не предполагающее поверхностного таяния. Эта теория связана с понятием аморфизации материала — в данном случае льда, — при которой молекулы отрываются от упорядоченной кристаллической решётки при контакте со скользящим объектом и начинают вести себя скорее как жидкость, чем как твёрдое тело.

Консенсус, по-видимому, становится всё ближе, однако до сих пор не достигнут. Таким образом, проблема скользкости льда остаётся открытой. Попробуем разобраться в предлагаемых механизмах.

Начнём издалека. В 1842 году, проводя эксперименты со льдом, английский учёный Майкл Фарадей (Michael Faraday) заметил, что если привести два кубика льда в соприкосновение, то они примерзают друг к другу. Он также отметил, что даже теплая рука прилипает ко льду при соприкосновении с ним. Это явление M. Фарадей объяснил наличием тонкого растаявшего слоя на открытой поверхности льда, который замерзает, будучи покрытым другим предметом. Однако он не смог объяснить, почему это происходит.

Несколько лет спустя английский инженер Джеймс Томсон (James Thomson) предположил, что любой предмет, помещенный на поверхность льда, оказывает на него давление, в результате чего происходит плавление льда на поверхности и она становится скользкой. Хорошо известно, что лёд тает при температуре 0°C, однако повышение давления понижает температуру плавления, так что даже при более низких температурах на поверхности может образоваться слой воды. Эта теоретическая зависимость между температурой плавления и давлением была экспериментально подтверждена младшим братом Джеймса, Уильямом Томсоном (William Thomson), более известным как лорд Кельвин.

В 1886 году ирландский геолог и физик Джон Джоли (John Joly) предложил теорию скользкости льда, согласующуюся с исследованиями братьев Томсонов. По мнению Д. Джоли, локальное контактное давление, создаваемое объектом, помещённым на поверхность льда, настолько велико, что приводит к сжатию льда и понижению температуры его плавления ниже температуры окружающей среды. Это вызывает локальное таяние и образование тонкого слоя жидкой воды, по которому фактически и происходит скольжение. Это была первая попытка объяснить механизм плавления льда при трении под давлением в условиях пониженной температуры.

Однако данная теория не выдержала экспериментальной проверки. Последующие исследования показали, что независимо от величины приложенного давления невозможно понизить температуру плавления льда ниже −22 °C. Тем не менее лёд демонстрирует скользкость и при более низких температурах. Следовательно, был сделан вывод, что хотя давление может играть определённую роль в образовании жидкого слоя, оно не является доминирующим фактором.

Именно такое соображение высказали Фрэнк Боуден (Frank P. Bowden) и Томас Хьюз (Thomas P. Hughes) из Лаборатории физической химии Кембриджского университета, поставив под сомнение теорию плавления под давлением. В 1939 году они выполнили расчёты и показали, что для существенного изменения температуры плавления льда предмет, помещённый на его поверхность, должен весить несколько тонн. На основании этих расчётов ими было предложено альтернативное объяснение образования водяного слоя.

Они предположили, что само трение объекта, скользящего по льду, вызывает его нагрев, достаточный для плавления. Это предположение было экспериментально проверено ими с использованием специального устройства, предназначенного для измерения трения между льдом и скользящим по нему материалом. При этом Ф. Боуден и Т. Хьюз обнаружили, что сопротивление трению выше у теплопроводящих материалов. Причём чем лучше материал проводил тепло, тем хуже он скользил по сравнению с плохими проводниками тепла.

Исследователи сравнили два материала — латунь и эбонит. На основании полученных результатов они сделали вывод, что, когда лёд трётся о материал, легко поглощающий тепло, меньше тепла, выделяющегося при трении остаётся для плавления льда, что делает поверхность менее скользкой. Таким образом, они сочли, что их эксперимент достаточно убедительно подтверждает теорию, согласно которой именно плавление льда, происходящее вследствие фрикционного нагрева, отвечает за его скользкость.

Однако в последующих дискуссиях было высказано сомнение в том, что трение, хотя и вызывает нагрев, может создать достаточное количество тепла для обеспечения таяния льда при низких температурах. Между тем продолжающиеся эксперименты показывали, что даже при очень низких температурах на поверхности льда сохраняется жидкий слой, способный обеспечивать скольжение. Более того, фрикционный нагрев не может объяснить, почему этот слой образуется даже тогда, когда объект остаётся неподвижным.

Отсюда противники теории фрикционного нагрева сделали вывод, что хотя он действительно может играть определённую роль в уменьшении трения для быстро движущихся объектов, он не является доминирующим фактором. То же относится и к давлению. При этом не отрицалось, что оба вида физического воздействия могут вносить определённый вклад наряду с ещё неизвестными механизмами.

Таким образом, к середине XX столетия точные детали образования жидкого слоя, наблюдаемого даже при небольшом давлении или трении, оставались невыясненными и продолжали активно исследоваться. Более того, эксперименты показали, что тонкий жидкий слой всегда присутствует на поверхности льда даже при температурах значительно ниже 0°C и в отсутствие контакта с какими-либо объектами. Это позволило предположить, что образование данного слоя является внутренним свойством самого льда.

Принимая этот факт во внимание, исследователи предположили, что жидкий слой образуется потому, что молекулы воды на поверхности льда имеют меньше межмолекулярных химических связей, чем молекулы, расположенные внутри твердой фазы льда, находящегося в кристаллической форме. Поэтому поверхностные молекулы более склонны к естественным колебаниям и перемещениям, что способствует их существованию в квазижидком состоянии. Это предположение логично перекликалось с ранними теоретическими построениями, согласно которым относительная подвижность молекул воды на поверхности льда обусловлена наличием слабых и недолговечных межмолекулярных связей. Однако в то время это оставалось лишь гипотезой, не сопровождавшейся детальным объяснением механизма и причин происхождения наблюдаемого явления

Исследования второй половины XX и начала XXI века

Потребовалось почти столетие с начала исследований феномена скользкости льда, чтобы другие исследователи — в частности, Чарльз Герни (Charles Gurney) и Вольдемар Вейль (Woldemar A. Weyl) — в начале 1950-х годов не только предложили объяснение возникновения эффекта, который они назвали «поверхностным предварительным таянием», но и представили экспериментальные доказательства того, что молекулы воды, находящиеся у поверхности, ведут себя иначе, чем молекулы, расположенные в глубине льда, где они зафиксированы внутри кристаллической решётки.

Исследования в этом направлении продолжаются до настоящего времени. Сравнительно недавно появилась серия публикаций группы физиков из Мадридского университета Комплутенсе. Луис МакДауэлл (Luis G. MacDowell) и его коллеги провели серию компьютерных симуляций с целью установить, какая из трёх гипотез — влияние давления, трения или предварительного плавления — наиболее адекватно объясняет эффект скользкости льда. Обосновывая применение компьютерного эксперимента, Л. МакДауэлл подчёркивал, что движения атомов, фиксируемые в компьютерных симуляциях, невозможно наблюдать в физических экспериментах. Компьютерное моделирование позволяет «фактически наблюдать соседние атомы и оценить, расположены ли они регулярно, как в твёрдом теле, или хаотично, как в жидкости», — добавлял он.

На основе полученных данных Л. МакДауэлл и его коллеги сделали вывод, что смоделированный ими блок льда действительно покрыт жидкоподобным слоем толщиной в несколько молекул, как и предсказывает теория предварительного плавления. Когда они смоделировали скольжение тяжёлого объекта по поверхности льда, жидкий слой утолщился, что согласовывалось с теорией давления. Ими также был смоделирован процесс нагревания при граничном трении. Исходя из результатов исследования, они заключили, что вблизи точки плавления на поверхности льда уже имеется достаточно толстый расплавленный слой, поэтому нагревание вследствие фрикционного трения не оказывает существенного влияния на его толщину. Однако при более низких температурах скользящий объект выделяет тепло, которое плавит твёрдую поверхность льда и тем самым создаёт жидкий слой. На основании этого исследования был сделан вывод, что все три спорные гипотезы в той или иной степени действуют одновременно.

В 2024 году исследователи из Пекинского университета представили свою версию, объясняющую, почему на поверхности льда при определённых условиях может образовываться тонкий водяной слой. Они обнаружили, что этому способствуют крошечные дефекты на поверхности льда, причём данный эффект наблюдается и при низких температурах. Это подтвердил Мартин Мюзер (Martin H. Muser) с коллегами из Саарландского университета в статье, опубликованной в прошлом году, где отмечалось, что «даже при чрезвычайно низкой температуре на поверхности твёрдого льда присутствует некоторое количество воды». Однако, утверждают исследователи, этот слой воды недостаточно толст, чтобы сделать лёд действительно скользким. В связи с этим они предложили несколько иное, хотя и связанное с выводами китайских учёных, объяснение.

Поскольку твёрдый лёд имеет кристаллическую структуру, его молекулы в решётке расположены упорядоченно. Немецкие материаловеды смоделировали изменения, происходящие во льду на молекулярном уровне при различных температурах. При этом они наблюдали, как изменяются свойства молекул, когда слой льда соприкасается с другой поверхностью.

Здесь следует напомнить, что молекула воды имеет диполярную структуру, то есть обладает двумя противоположными зарядами: одна её сторона (в области атома кислорода) обладает отрицательным зарядом, тогда как другая сторона (в области атомов водорода) несёт положительный заряд. Благодаря такой полярности при замерзании воды её молекулы ведут себя как магниты, выстраиваясь в регулярную кристаллическую структуру. Однако для нарушения этой упорядоченной структуры не требуется значительных усилий.

Представим себе предмет, соприкасающийся со льдом. Электрические заряды, локализованные на поверхности этого предмета, способны притягивать противоположно заряженные участки молекул воды, вызывая соответствующую переориентацию диполей в верхних слоях льда. В определённой степени этот процесс напоминает взаимодействие двух магнитов. По мере движения предмета по поверхности льда диполи, локализованные в поверхностных слоях, приходят в движение. Всё большее число молекул начинает сначала колебаться, а затем приобретает повышенную подвижность. В результате такого воздействия идеальная кристаллическая структура льда, начиная с поверхности, постепенно разрушается. Этот процесс М. Мюзер называет фрустрацией: «Лёд как бы тает, не нагреваясь».

Следует отметить, что ещё более двадцати лет назад Роберт Розенберг (Robert Rosenberg) из Университета Лоуренса в Эпплтоне (штат Висконсин) утверждал:

«Периодическая структура разрушается [на поверхности], и молекулярные слои принимают более аморфную структуру в ответ на уменьшение числа химических связей, удерживающих поверхностные молекулы на месте. Атомы на самой внешней поверхности колеблются с большей амплитудой в зависимости от температуры, чем атомы во внутренней решётке… Поверхностное плавление объясняется взаимодействием колебательного движения поверхностных молекул с молекулами внутренней части кристалла».

М. Мюзер с соавторами сравнивает кристаллический лёд с «упорядоченным слоем ракушек». «Представьте, — говорит он, — что вы проведёте по нему слегка липкой рукой. Некоторые ракушки будут вытянуты из упорядоченного положения». На молекулярном уровне это означает, что межмолекулярное взаимодействие зарядов создаёт своеобразную «липкость»: диполи на поверхности движущегося предмета вытягивают отдельные молекулы воды из положений, в которых они зафиксированы в кристаллической решётке льда, придавая им дополнительную подвижность. Такие молекулы образуют на поверхности льда тонкий жидкоподобный слой.

На влияние поверхностных зарядов на скользкость льда обращает внимание и Джеральд Поллак (Gerald H. Pollack) из Университета Вашингтона в Сиэтле (штат Вашингтон) в рамках разработанной им теории, посвящённой особенностям фазовых превращений воды. Предлагаемый им механизм включает фактор снижения трения, обусловленный отталкиванием положительно заряженных протонов, присутствующих в жидкой воде в значительном количестве. Более того, по его мнению, под действием давления образуются дополнительные протоны. Причём чем выше давление, тем большее число протонов «выдавливается» из нижележащих слоёв на поверхность льда, что способствует сохранению его скользкости. Однако если эти поверхностные протоны будут утрачены, например вследствие испарения, то вместе с ними может исчезнуть и скользкость льда.

Представим себе кубик льда, некоторое время пролежавший в атмосфере сухого воздуха. Если взять такой кубик в руки, пальцы прилипнут к нему. Этот эффект, описанный М. Фарадеем, хорошо известен из повседневной жизни. Если, как предполагает Д. Поллак, протоны действительно исчезают в процессе испарения, то на поверхности льда остаётся лишь отрицательный заряд, который индуцирует на любой близлежащей поверхности — например, на коже пальцев — заряд противоположного знака, но равный по величине. В результате возникает электростатическое притяжение, и пальцы прилипают ко льду.

Суть состоит в том, что ледяные поверхности могут проявлять два противоположных свойства: быть либо очень «липкими», либо чрезвычайно скользкими. Согласно Д. Поллаку, различие определяется наличием поверхностных протонов. Их отсутствие способствует прилипанию веществ друг к другу за счёт электростатической адгезии, тогда как их присутствие создаёт силу отталкивания, раздвигающую поверхности и обеспечивающую сверхнизкое трение.

Вернёмся к эффекту «поверхностного предварительного таяния», предложенному Ч. Герни и В. Вейлем, то есть к процессу образования на поверхности льда жидкоподобного слоя без необходимости его нагрева. Если плавление льда под действием давления и тепла считать традиционным механизмом фазового перехода, то превращение твёрдого льда в жидкоподобное состояние в результате нарушения кристаллической структуры, то есть возникновения различных структурных дефектов без непосредственного воздействия давления и тепла, можно отнести к нетрадиционным механизмам плавления.

Следует отметить, что подобный эффект характерен не только для льда. Многочисленные эксперименты подтвердили существование жидкоподобных поверхностных слоёв на металлах и полупроводниках, возникающих вследствие образования дефектов, нарушающих структуру поверхности.

Руководитель другой исследовательской группы из Германии, Майкл Моселер (Michael Moseler) из Фрайбургского университета, обсуждая влияние структурных изменений твёрдых поверхностей на формирование жидкоподобных поверхностных слоёв, резюмирует: «Это означает, что лёд может быть скользким даже при очень низких температурах». Действительно, компьютерная модель М. Мюзера показывает, что «фрустрированный» лёд остаётся скользким даже при температуре 10°К, то есть вблизи абсолютного нуля.

Адекватность данной модели и самого подхода подтверждают Роберт У. Карпик (Robert W. Carpick) и его коллеги из Университета Пенсильвании в Филадельфии, недавно разработавшие теоретическую модель, достаточно точно описывающую механохимические реакции, протекающие под действием силы на границах раздела твёрдых тел.

«Молекулярное моделирование такого рода позволяет наблюдать изменения, происходящие на атомарном уровне, то есть прослеживать поведение каждого отдельного атома», — отмечают авторы, фактически подтверждая выводы Л. МакДауэлла и М. Мюзера.

Возможность образования аналогичных кристаллических дефектов в твёрдых материалах не является чем-либо необычным. Похожие процессы и аналогичные эффекты М. Моселер с коллегами наблюдали, используя в качестве модельных материалов кремний и алмаз. Исследователи показали, что наличие поверхностных дефектов делает эти материалы более скользкими.

Однако у алмаза имеется одно существенное отличие. Если в случае со льдом, как подчёркивает М. Моселер,

«…чем сильнее вы давите, тем легче превратить его в жидкоподобную субстанцию», то «…в случае с алмазом наблюдается обратный эффект, который фактически защищает поверхность». «Теоретически можно кататься на коньках по алмазу по той же причине, по которой это возможно на водяном льду. Но на поверхности алмазного катка не остаются следы», — добавляет он.

Возвращаясь к теории Ф. Боудена и Т. Хьюза, следует отметить, что, несмотря на её широкое цитирование до настоящего времени, многие исследователи не согласны с предложенным ими объяснением.

«Проблема заключается в том, что вы растапливаете лёд только позади себя, а не тот лёд, по которому фактически скользите», — возражает Даниэль Бонн (Daniel Bonn) из Амстердамского университета. «Лёд должен быть скользким уже в тот момент, когда мы на него наступаем, то есть ещё до того, как произойдёт какое-либо движение, способное вызвать трение и нагрев», — продолжает он.

Группа исследователей под руководством братьев Боннов, включая упомянутого выше Д. Бонна и Мишу Бонна (Mischa Bonn) из Института Макса Планка, продемонстрировала, что механизм трения по льду значительно сложнее, чем предполагалось ранее. В ходе экспериментов, проведённых в диапазоне температур от 0 до –100°C, было показано, что поверхность льда переходит от чрезвычайно скользкого состояния, характерного для температур зимних видов спорта (примерно от –4 до –12°C), к состоянию с высоким коэффициентом трения при температуре –100°C.

Для выяснения природы наблюдаемой температурной зависимости скользкости исследователи выполнили спектроскопические измерения состояния молекул воды на поверхности льда и сопоставили полученные результаты с данными моделирования методом молекулярной динамики. Сочетание экспериментальных данных и компьютерного моделирования позволило сделать следующий вывод. На поверхности льда существуют два типа молекул воды, связанных с кристаллической решёткой: менее подвижные молекулы, образующие три водородные связи, и более подвижные молекулы, связанные лишь двумя водородными связями. Последние непрерывно перемещаются по поверхности льда под действием тепловых колебаний, подобно крошечным сферам.

По мере повышения температуры происходит изменение соотношения между двумя типами поверхностных молекул: количество более подвижных молекул возрастает за счёт уменьшения числа менее подвижных молекул, жёстко закреплённых на поверхности льда. Примечательно, что изменение подвижности самых верхних молекул воды практически полностью совпадает с температурной зависимостью измеренной силы трения: чем выше подвижность поверхностных молекул, тем ниже трение, и наоборот.

Таким образом, исследователи пришли к выводу, что, строго говоря, скользкость льда обусловлена не просто наличием тонкого слоя жидкой воды на поверхности кристаллического льда, а высокой подвижностью молекул воды, образующих этот поверхностный слой. В значительной степени упрощая данный подход, можно сказать, что исследователи фактически развивают представление о существовании временных слабых межмолекулярных взаимодействий между высокоподвижными молекулами воды в поверхностном жидкоподобном слое льда.

Хотя подвижность молекул воды на поверхности льда продолжает увеличиваться при нагревании вплоть до нуля градусов Цельсия, как выяснилось, именно эта температура не является оптимальной для скольжения по льду. Эксперименты показывают, что коэффициент трения на самом деле минимален при температуре –7°C (именно такая температура поддерживается на катках для скоростного бега на коньках). Исследователи показали, что при повышении температуры в диапазоне от –7 до 0°C скольжение затрудняется, поскольку лёд становится мягче, в результате чего скользящий объект глубже врезается в его поверхность.

Для проверки своей гипотезы о влиянии трения исследователи разработали следующий эксперимент. Металлическая пластина, по форме напоминающая лезвие конька, перемещалась по поверхности льда с различной скоростью. При этом измерялись усилие, необходимое для перемещения пластины, и давление, которое она оказывала на лёд. Соотношение этих параметров рассматривалось как показатель скользкости льда. В результате эксперимента было установлено, что скользкость не зависит от скорости движения. Отсюда был сделан вывод, что нагревание вследствие фрикционного трения, которое должно возрастать с увеличением скорости движения пластины, не является причиной скользкости льда.

Действительно, молекулы воды, находящиеся на поверхности жидкого слоя, окружены меньшим количеством соседних молекул, с которыми они могут образовывать связи, и поэтому обладают большей свободой движения, чем молекулы, расположенные внутри кристалла льда. В этом «предварительно расплавленном слое» молекулы легко смещаются под действием приложенной силы, например при контакте с лезвием конька.

В настоящее время исследователи, изучающие свойства воды, в целом согласны с тем, что на поверхности льда существует тонкий слой жидкой воды, молекулы которого обладают специфическими свойствами, по крайней мере вблизи точки плавления. Однако учёные продолжают расходиться во мнениях относительно роли, которую этот слой играет в возникновении эффекта скользкости льда.

Исследования последних лет

Предположение о том, что плавление поверхностного слоя льда, возможно, не является основной причиной его скользкости, высказал и М. Мюзер с коллегами. На основе проведённых экспериментов они представили аргументы против каждой из трёх существующих на сегодняшний день теорий, если рассматривать их по отдельности, утверждая следующее:

— во-первых, чтобы давление, создаваемое предметом, находящимся на поверхности льда, было достаточно высоким для плавления поверхностного слоя, площадь контакта между этим предметом и льдом должна быть, по их выражению, «необоснованно малой» («unreasonably small»);

— во-вторых, количества тепла, выделяемого при трении объекта, движущегося даже с максимально достижимой на практике скоростью, недостаточно для плавления поверхностного слоя льда;

— в-третьих, даже при экстремально низких температурах лёд остаётся скользким, хотя «предварительно расплавленного слоя» существовать не должно. Это свойство льда объясняется тем, что, хотя у молекул, расположенных на поверхности, по-прежнему мало соседей, при низких температурах у них недостаточно энергии для преодоления связей с молекулами нижележащего слоя.

Таким образом, по мнению авторов,

«…либо скользкость льда обусловлена комбинацией всех или нескольких из существующих факторов, приведённых выше, либо существует ещё какой-то фактор, который до настоящего времени остаётся неизвестным».

Затем исследователи продолжили компьютерное моделирование скольжения ледяных поверхностей друг относительно друга при достаточно низкой температуре системы, исключавшей эффект таяния. В противном случае наблюдаемый эффект скольжения можно было бы теоретически приписать наличию поверхностного слоя воды.

При этом принималось во внимание предположение о том, что, поскольку молекулы воды обладают двумя противоположными электрическими полюсами — положительным и отрицательным, — в исходном состоянии ледяные поверхности могут притягиваться друг к другу подобно магнитам (о чём уже говорилось ранее). Иными словами, положительные концы одних молекул притягивают отрицательные концы других. При скольжении поверхностей друг относительно друга одни межмолекулярные связи разрываются, а вместо них образуются новые, что постепенно изменяет структуру льда.

Затем модель эксперимента была модифицирована. В новой компьютерной симуляции одна из ледяных поверхностей была заменена другими материалами. Причём свойства этих материалов были подобраны таким образом, что один из них притягивал воду, а другой, напротив, её отталкивал. При моделировании скольжения поверхностей друг относительно друга молекулы на поверхности льда смещались в большей степени в том случае, когда используемый материал обладал более высоким сродством к воде, то есть сильнее притягивался к поверхности льда.

Таким образом, моделирование показало, что скольжение объекта механически разрушает упорядоченную кристаллическую решётку льда, создавая аморфный слой с хаотическим расположением молекул, который постепенно утолщается в процессе движения. На основании полученных данных авторы пришли к выводу, что скользкость льда, особенно при низких температурах, объясняется не его таянием, а образованием аморфной структуры поверхностного слоя.

Авторы также считают, что предложенный ими механизм скольжения не является уникальным свойством льда. В поисках объяснения механизма, связанного с образованием аморфного слоя, в качестве альтернативы ранее предложенным теориям, основанным на эффектах давления, трения и существования подтаявшего поверхностного слоя, исследователи приводят результаты экспериментов, выполненных учёными Фрайбургского университета в Германии при изучении свойств алмаза.

Эти данные касаются объяснения различий в твёрдости отдельных граней алмаза. На основании многолетнего опыта огранщики драгоценных камней давно установили, что некоторые грани алмаза менее твёрды, чем другие, и поэтому легче поддаются полировке. В новом эксперименте была создана компьютерная симуляция скольжения двух алмазов друг относительно друга, при которой связи между атомами, расположенными на поверхности, намеренно разрушались. Это позволяло атомам перемещаться и образовывать новые связи, которые, в свою очередь, также подвергались разрушению.

Такой тип скольжения приводил к разрушению поверхностного слоя и формированию аморфной структуры. В отличие от регулярной кристаллической структуры алмаза, этот слой является неупорядоченным и по своим свойствам ведёт себя скорее как жидкость, чем как твёрдое тело. Эффект аморфизации возникает вследствие постоянно меняющейся ориентации атомов на поверхности и, по мнению исследователей, обусловливает относительную «мягкость» некоторых граней кристалла.

Консенсус, остающийся под вопросом

Таким образом, результаты, полученные М. Мюзером и его коллегами, не противоречат экспериментальным данным, представленным в работах группы Л. МакДауэлла. Единственное различие между подходами групп Л. МакДауэлла и М. Мюзера заключается в интерпретации механизма аморфизации льда. Испанские исследователи отстаивают идею о том, что аморфизация происходит лишь при высоких скоростях скольжения, тогда как немецкие учёные утверждают, что образование жидкого слоя путём механической аморфизации требует чрезвычайно короткого времени — всего нескольких наносекунд, тогда как для нагрева вследствие трения и последующего плавления необходимо существенно больше времени.

Отсюда, как делает вывод Сергей Сухомлинов (Sergey V. Sukhomlinov), соавтор М. Мюзера, следует, что, даже если плавление и вносит вклад в скользкость льда, этот механизм вступает в действие лишь после аморфизации ледяной структуры. Таким образом, если оставить в стороне вопрос о последовательности воздействия различных факторов на феномен скользкости льда, обе группы исследователей приходят к общему выводу: фрикционное поведение льда на атомном уровне представляет собой результат совместного действия спонтанного предплавления, механической аморфизации, дополнительного плавления под давлением и фрикционного нагрева.

Д. Бонн с коллегами также поддерживает идею комбинированного воздействия нескольких факторов, которое, по его словам, согласуется с экспериментальными исследованиями скольжения объектов по льду, проведёнными их группой. Эти эксперименты, а также новые компьютерные модели, разработанные в последние несколько лет, позволяют объяснить скользкость льда структурными изменениями его поверхности, хотя различные исследователи описывают происходящие процессы разными терминами.

Так, М. Мюзер считает, что эти изменения обусловлены механическим смещением молекул воды, тогда как Д. Бонн сосредоточивает внимание на изначально высокой подвижности поверхностных молекул. Он сравнивает поверхность льда с полом, усыпанным маленькими шариками: из-за их высокой подвижности на такой поверхности невозможно устойчиво стоять. Точно так же, добавляет он, человеку трудно удержаться в вертикальном положении на льду.

По словам Д. Бонна, различия в описании механизма скольжения разными исследователями представляют собой скорее «семантическую проблему». Однако С. Сухомлинов с этим не согласен: «Я считаю, что это разные механизмы, хотя они могут выглядеть похожими».

Мы, безусловно, приближаемся к решению, казалось бы, простого, но уже многие столетия остающегося открытым вопроса о том, почему лёд скользкий. На данном этапе отсутствие единой терминологии среди исследователей может оказаться одним из наиболее серьёзных препятствий на пути к решению этой проблемы. Схожие эффекты нередко получают разные названия, что, в свою очередь, приводит к формулированию различных гипотез. Д. Бонн также объясняет сложившуюся ситуацию тем, что

«…у исследователей льда действительно существуют разные и противоречивые мнения, но на самом деле они мало обсуждают друг с другом свои разногласия».

Таким образом, несмотря на постепенное сближение позиций различных групп исследователей по вопросу природы и причин изменения поверхностной структуры льда, согласованного окончательного вывода о том, что именно является причиной скользкости льда, то есть каков механизм этого явления, на сегодняшний день не существует. Природа данного феномена остаётся не до конца выясненной, поскольку, в частности, до сих пор не доказано, происходит ли аморфизация поверхностной структуры льда при низких скоростях скольжения. К сожалению, как отмечают учёные, компьютерные симуляции, способные прояснить этот вопрос, требуют вычислительных мощностей, недостижимых на современном этапе развития технологий. Поэтому окончательное решение этой проблемы остаётся делом будущего. Хочется надеяться, что не слишком далёкого.

Заключение

Подводя итог, кратко суммируем основные факторы, влияющие на скользкость льда:

• давление, оказываемое на лёд скользящим предметом;
• сопротивление трению при скольжении предмета по льду;
• наличие жидкого слоя на поверхности льда, выполняющего роль смазки;
• температура, влияющая на структуру льда;
• влажность окружающего воздуха;
• степень дефектности и гладкость поверхности льда;
• плотность льда;
• пористость льда;
• молекулярная подвижность на поверхности льда и механизмы её проявления.

Вода, как мы отмечали ранее, является уникальным и чрезвычайно интересным объектом исследования, привлекающим внимание многочисленных учёных. Она представляет собой уникальный растворитель, играющий ключевую роль в возникновении и поддержании жизни на планете Земля. Её основные химические свойства, природа фазовых состояний, участие в химических реакциях, а также физическое поведение в объёме и на поверхности продолжают оставаться предметом глубокого изучения в научных лабораториях по всему миру.

В данной статье мы затронули лишь одну узкую тему, посвящённую некоторым свойствам замёрзшей воды и выяснению причин скользкости льда. Механизм этого явления продолжает активно исследоваться. Однако помимо данного частного вопроса вода привлекает исследователей, работающих как в фундаментальной науке, так и в прикладных областях, благодаря своим выдающимся свойствам, играющим определяющую роль в различных биологических процессах. В частности, этим вопросам посвящены исследования японских учёных под руководством Томохиро Хаяши (Tomohiro Hayashi).

Интерес к изучению разнообразных явлений, происходящих в природе, безусловно, необходим. Подобные исследования не только расширяют наши представления о природных механизмах, действующих в окружающей среде, но и позволяют делать практические выводы, помогающие в повседневной жизни. Поэтому прикладное значение научных исследований трудно переоценить. Так, на примере изучения причин и механизмов скользкости льда уже предложено множество полезных технических решений.

В заключение отметим, что серьёзные научные исследования и основанные на них технические решения не исключают появления юмористических ответов даже на сугубо научные вопросы. Так, отвечая на шутливый вопрос: «Какое решение следует принять, чтобы не поскользнуться на льду зимой?», М. Мюзер остроумно заметил: «Я бы сказал: наденьте обувь с шипами. Это действительно единственный способ».

Примечание

Автор благодарит доктора Сергея Сухомлинова за полезные замечания.

При написании статьи использованы следующие публикации:

1. John Joly, The Slipperiness of Ice Explained, Scientific Proceedings of the Royal Dublin Society 5, 453, (1886).

2. Woldemar A. Weyl, Surface structure of water and some of its physical and chemical manifestations, Journal of Colloid Science, 6 (5), 389, (1951).
3. Robert Rozenberg, Why is ice slippery?, Physics Today, 12, 50 (2005).
4. Lars Pastewka, Stefan Moser, Peter Gumbsch and Michael Moseler, Anisotropic mechanical amorphization drives wear in diamond, Nature Materials, 10, 34 (2011).
5. Luis G. MacDowell, Jorge Benet, and Nebil A. Katcho, Capillary fluctuations and Film-Height-Dependent Surface Tension of an Adsorbed Liquid Films«, Physical Review Letters, 111, 047802, (2013).
   https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.047802 or https://arxiv.org/pdf/1309.1310

6. Gerald H. Pollack, The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor, Ebner & Sons Publishers, Seattle WA, USA (2013).
7. Jorge Benet, Jose G. Palanco, Eduardo Sanz, and Luis G. MacDowell, Disjoining pressure, healing distance, and film height dependent surface tension of thin wetting films, Journal of Physical Chemistry C, 118, 38 (2014).
8. Luis G. MacDowell, Jorge Benet, Nebil A. Katcho, and Jose G. Palanco, Disjoining pressure and the film-height-dependent surface tension of thin liquid films: New insight from capillary wave fluctuations, Advances in Colloid and Interface Science, 206, 150, (2014).
   https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0001868613001565

9. Bart Weber, Yuki Nagata, Stefania Ketzetzi, Fujie Tang, Wilbert J. Smit, Ellen H. G. Backus, Mischa Bonn, and Daniel Bonn, Molecular insight into the slipperiness of ice, The Journal of Physical Chemistry Letters, 9 (11), 2838, (2018).
10. Lukasz Baran, Pablo Llombart, Wojciech Rzysko, and Luis G. MacDowell, Ice friction at the nanoscale, Applied Physical Sciences, 119 (49), e2209545119, (2022). https://doi.org/10.1073/pnas.220954511
11. Achraf Atila, Sergey V. Sukhomlinov, and Martin H. Muser, Cold self-lubrication of sliding ice, APS Journals — Physical Review Letters, 135 (6), 066204, (2025).
12. Cangyu Qu, Lu Fang, and Robert W. Carpick, Contact mechanics correction of activation volume in mechanochemistry, Physical Review B, 111, 195405, (2025).
    https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.195405

13. Masaru Tanaka, Shigeaki Morita, аnd Tomohiro Hayashi, Interfacial water states and the biocompatibility of biomaterials: The role of intermediate water, Polymer Journal, 58, 343, (2026).
    https://doi.org/10.1038/s41428-025-01139-0