Dlaczego powierzchnia lodu jest śliska? Większość z nas odpowie, że to efekt tworzenia się cieniutkiej warstwy stopionej wody, która zmniejsza tarcie. Jednak nawet jeśli uznamy, że jest w tym prostym wyjaśnieniu ziarno prawdy, nadal nie tłumaczy ono, dlaczego takie zjawisko występuje nawet znacznie poniżej temperatury zamarzania. Żeby to sprawdzić, należy przyjrzeć się powierzchni lodu na poziomie mikroskopowym.
Fizycy z Międzynarodowego Centrum Materiałów Kwantowych przy Uniwersytecie Pekińskim wykorzystali możliwości mikroskopu sił atomowych (AFM). Nie jest to bynajmniej nowy wynalazek, ale dotąd nie nadawał się najlepiej do precyzyjnego badania lodu, naruszając swoim działaniem jego strukturę molekularną. Aby temu zapobiec, Chińczycy zastąpili sondę wykonaną zwykle z krzemu i azotu, na słabiej oddziałującą końcówkę z tlenku węgla.
W ten sposób podopieczni Ying Jianga jako pierwsi dokonali obrazowania powierzchni lodu wodnego schłodzonego do -153 °C, z rozdzielczością sięgającą około 100 pikometrów (10-10 m). Potwierdzono, że zewnętrzna warstwa lodu o grubości dwóch molekuł fizycznie różni się od lodu wewnętrznego.
W niskich temperaturach woda tworzy sieć krystaliczną, którą budują głównie sześciokątne komórki. Chińczycy zauważyli jednak, że przy powierzchni sytuacja ulega zmianie: struktura staje się mniej regularna, a w miejscu znajomych sześciokątów pojawiają się formy trójkątne. Fizycy nazywają je „zarodkami cieczy” lub „prekursorami topnienia”.
Niezgodność kształtów w strukturze krystalicznej lodu wewnętrznego i zewnętrznego, rozluźnia wiązania między cząsteczkami sprawiając, że tarcie jest mniejsze niż w przypadku większości ciał stałych. Oczywiście nieznaczny wzrost temperatury sprawia, że w sieci pojawia się jeszcze więcej „trójkątów”, działających jak smar i zwiększających śliskość.
Wyniki te kładą kres długotrwałej debacie na temat struktur powierzchni lodu i rzucają światło na molekularne źródło wstępnego topnienia lodu, co może prowadzić do zmiany paradygmatu w rozumieniu fizyki i chemii lodu.
Z publikacji Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution
Badania tego rodzaju służą czemuś więcej niż tylko próbie zrozumienia, dlaczego łyżwa tak dobrze sunie po lodowisku. Dogłębne poznanie struktury lodu może zostać wykorzystane chociażby przez glacjologów, przy tworzeniu precyzyjniejszych prognoz dotyczących topnienia oraz przemieszczania się lodowców.
Publikacja Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution trafiła do Nature. Lakoniczny opis badania znajdziecie również na stronie Uniwersytetu Pekińskiego.
