Скользкость льда объяснили диффузией молекул в поверхностном слое

Физики детально изучили скольжение стального шарика по поверхности льда и показали, что к повышенной скользкости приводит образование подвижных молекул в поверхностном слое льда вследствие разрыва водородных связей. При этом такое поведение характерно для льда только при относительно небольших отрицательных температурах, а при дальнейшем охлаждении диффузия молекул замедляется и лед переходит в нормальное нескользкое состояние, пишут ученые в статье в Journal of Physical Chemistry Letters.

В конце XIX века аномальную скользкость льда при небольших отрицательных температурах предложили объяснять тем, что при повышенном контактном давлении из-за разницы в плотности между жидкой и твердой фазой происходит частичное плавление. Это приводит к появлению между двумя твердыми поверхностям жидкой прослойки, которая при скольжении играет роль смазки. Однако сейчас этот механизм считается не совсем точным, и появление очень тонкого водного слоя связывают не с контактным давлением, а нагревом при трении. Тем не менее, роль плавления в механизме снижения трения до сих пор вызывает вопросы, и на молекулярном уровне этот процесс исследован не до конца.

Чтобы прояснить молекулярный механизм снижения трения на поверхности льда, физики из Нидерландов, Германии и Франции под руководством Даниэля Бонна (Daniel Bonn) из Амстердамского университета провели экспериментальное исследование коэффициента трения при скольжении стального шарика по ледяной поверхности и объяснили полученные результаты с помощью спектроскопических измерений и компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Как эксперимент, так и моделирование изучали довольно широкий диапазон температур — от 0 до -100 градусов Цельсия.

Оказалось, что в температурной зависимости коэффициента трения есть две характерных области, которые определяются различными физическими эффектами. При относительно высоких температурах (примерно от 0 до −10 градусов Цельсия) сила трения определяется пластической деформацией льда при его продавливании. Поскольку нормальная сила, необходимая для вдавливания шарика в лед, увеличивается при охлаждении, то этот эффект заметен только очень близко к температуре плавления, но приводит к резкому падению коэффициента трения уже к -5 градусам Цельсия. В диапазоне от -5 до -10 градусов коэффициент трения аномально низок (его минимальное значение в этом интервале составляет примерно 0,01), а при дальнейшем понижении температуры он вновь начинает расти, постепенно увеличиваясь примерно до 0,5 при -100 градусах (это значение не выходит за пределы характерных значений для других твердых тел). При этом его температурная зависимость на этом интервале имеет выраженный аррениусовский вид и определяется энергией активации около 11,5 килоджоуля на моль.

По характерному виду температурной зависимости, а также спектроскопическим данным и результатам моделирования авторы работы предположили, что при температурах ниже -5 градусов Цельсия сила трения определяется диффузией молекул воды в поверхностном слое. При относительно высоких температурах тепловая энергия помогает разорвать слабые водородные связи, которые связывают поверхностные молекулы с объемом кристалла, и привести эти молекулы в движение. При охлаждении доля подвижных молекул в поверхностном слое уменьшается, коэффициент диффузии начинает падать, а коэффициент трения — наоборот, расти.

По словам физиков, предложенный ими механизм скольжения определяется диффузией подвижных молекул воды в наружном слое, но не подразумевает при этом как такового плавления льда. Это подтверждают и экспериментальные данные: измеренная температурная зависимость коэффициента трения непрерывна и приводит к переходу в нормально «нескользкое» состояние, но никаких фазовых переходов при этом в системе не происходит.

Авторы работы отмечают, что наличие двух механизмов, определяющих силу трения в различных температурах, приводит к тому, что низкое трение для льда характерно лишь в довольно узком интервале, когда оба эффекта, повышающие трение, слабые — около -7 градусов Цельсия. Именно такие температуры используется, например, в зимних видах спорта: конькобежном спорте, фигурном катании, хоккее или керлинге.

Из-за того, что лед обладает аномально низким коэффициентом трения, очень сложно сделать обувь, в которой можно безопасно ходить по обледенелым дорогам. Например, канадские исследователи обнаружили, что подавляющее большинство зимней обуви не подходит для безопасного передвижения в условиях гололеда.

Александр Дубов