Лёд в домашнем морозильнике удивительно отличается от изящных кристаллов, рождающихся в снежных облаках или на замёрзшей глади пруда. По мере снижения температуры кристаллы способны принимать самые причудливые формы: от шестиугольных призм до тончайших пластин и даже подобий греческих колонн.
Причина этих удивительных превращений долгое время оставалась неразгаданной. Первооткрыватели явления связали его с гипотезой великого физика Майкла Фарадея: ниже точки плавления поверхность льда может обладать микроскопически тонким слоем воды.
Этот феномен «предплавленной плёнки» стал предметом оживлённых научных дискуссий. Годы исследований давали противоречивые данные о самом её существовании и толщине. Решить эту головоломку взялся Луис Макдауэлл из Мадридского университета Комплутенсе.
Фазовая диаграмма и загадка равновесия
Основой работы Макдауэлла послужила фазовая диаграмма льда, показывающая состояния воды (лёд, жидкость, пар) в зависимости от температуры и давления. Особое внимание учёный уделил тройной точке – уникальному состоянию, где все три фазы сосуществуют в идеальной гармонии.
Используя мощное компьютерное моделирование, Макдауэлл смог увидеть движение молекул на ледяной поверхности. Вблизи тройной точки действительно формируется нанометровый водный слой. Однако эксперименты часто фиксировали гораздо более толстые плёнки. Исследователь предположил, что корень расхождений кроется в сложности достижения и поддержания истинного равновесия в условиях опытов.
Тонкости измерений и рост кристаллов
«Равновесие – это точка, — пояснил Макдауэлл. — Мы можем бесконечно приближаться к ней, но никогда не достигаем полностью. Даже минимальные отклонения могут значительно нарушить баланс, делая измерения исключительно трудными».
Уникальные свойства плотности воды ограничивают толщину жидкого слоя вблизи точки равновесия, так как твёрдый лёд энергетически стабильнее жидкости. Макдауэлл, объединив принципы из разных областей физики, объяснил механизм конденсации капель на поверхности плёнки (частичное смачивание) и предложил теорию, раскрывающую странные закономерности роста ледяных кристаллов.
Фазовые переходы на поверхности
«Изменения формы снежинок напрямую связаны с динамикой толщины предплавленной плёнки, — заявил учёный. — Каждый фазовый переход на поверхности влечёт резкие перемены в свойствах и скорости роста граней кристалла».
Именно из-за разной скорости роста передних и боковых граней формируются столь разнообразные кристаллические структуры. Макдауэлл видит захватывающие перспективы применения своей теории: от физики атмосферы и изучения трения до понимания самого принципа скольжения коньков по льду. Хотя прорыв сделан, вопросы остаются. Дальнейшие изыскания учёного сосредоточены на влиянии трения на скользкость и роли примесей в изменении толщины загадочной водной плёнки.
Источник: scientificrussia.ru
