Лёд в вашем морозильнике сильно отличается от отдельных кристаллов, которые образуются в снежных облаках или на замёрзшем пруду. При понижении температуры кристаллы льда могут принимать самые разные формы: от приземистых шестиугольных призм до плоских пластин и греческих колонн.
Однако почему происходят эти структурные изменения, остаётся загадкой. Когда исследователи впервые столкнулись с этим явлением, они подумали, что оно связано с гипотезой, предложенной знаменитым физиком Майклом Фарадеем: лёд ниже точки плавления имеет на своей поверхности микроскопически тонкий слой жидкой воды.
Однако эта «подтаявшая ледяная плёнка» является предметом серьёзных научных споров. На протяжении многих лет исследователи приводили противоречивые данные о её толщине и о том, существует ли она вообще. В журнале The Journal of Chemical Physics Луис Макдауэлл из Мадридского университета Комплутенсе попытался разрешить это противоречие.
Макдауэлл сосредоточился на фазовой диаграмме льда — изображении того, как лёд, жидкая вода и водяной пар существуют при разных температурах и давлениях. На ней есть одна крошечная точка, называемая тройной точкой, где все три фазы одинаково стабильны и сосуществуют в идеальном равновесии.
С помощью компьютерного моделирования Макдауэлл визуализировал движение молекул на поверхности льда. В тройной точке образуется нанометровый слой. Однако во многих экспериментах сообщалось о гораздо более толстом слое. Макдауэлл предположил, что разногласия по поводу тонкого слоя воды во многом связаны с тем, что эксперименты проводились в условиях, немного отличающихся от равновесия.
«Равновесие — это точка, — сказал он. — Вы находитесь настолько близко к ней, насколько это возможно, но никогда не достигаете её. Даже незначительное отклонение может привести к существенному нарушению равновесия, что значительно затрудняет измерение этих величин».
Из-за необычной плотности воды толщина жидкой плёнки вблизи точки равновесия ограничена. Твёрдый лёд энергетически более предпочтителен, чем жидкая вода. Объединив теории из разных областей физики, Макдауэлл объяснил, почему капли жидкости конденсируются на поверхности плёнки, частично смачивая её, и выдвинул теорию о том, почему кристаллы льда растут таким странным образом.
«Последовательность изменений формы снежных кристаллов связана с изменениями толщины предплавильной плёнки на поверхности льда, — сказал Макдауэлл. — На поверхности происходят фазовые переходы, и при каждом из них резко меняются свойства и скорость роста граней».
Поскольку передняя и боковые части растут с неодинаковой скоростью, образуются кристаллы разной формы. Макдауэлл надеется, что его теорию можно будет применить в физике атмосферы, в науке о трении и даже в изучении того, как работает катание на коньках. Тем не менее проблема решена не полностью. Макдауэлл планирует изучить, как трение влияет на скользкость льда и как примеси меняют толщину плёнки.
