Фізики детально вивчили ковзання сталевої кульки по поверхні льоду і показали, що до підвищеної слизькості призводить утворення рухомих молекул у поверхневому шарі льоду внаслідок розриву водневих зв'язків. При цьому така поведінка характерна для льоду тільки при відносно невеликих негативних температурах, а при подальшому охолодженні дифузія молекул сповільнюється і лід переходить в нормальний кільказький стан, пишуть вчені в статті в
Наприкінці XIX століття аномальну слизькість льоду при невеликих негативних температурах запропонували пояснювати тим, що при підвищеному контактному тиску через різницю в щільності між рідкою і твердою фазою відбувається часткове плавлення. Це призводить до появи між двома твердими поверхнями рідкого прошарку, який при ковзанні відіграє роль мастила. Однак зараз цей механізм вважається не зовсім точним, і появу дуже тонкого водного шару пов'язують не з контактним тиском, а нагріванням при терті. Тим не менш, роль плавлення в механізмі зниження тертя досі викликає питання, і на молекулярному рівні цей процес досліджений не до кінця.
Щоб прояснити молекулярний механізм зниження тертя на поверхні льоду, фізики з Нідерландів, Німеччини та Франції під керівництвом Даніеля Бонна (Daniel Bonn) з Амстердамського університету провели експериментальне дослідження коефіцієнта тертя при ковзанні сталевої кульки по крижаній поверхні і пояснили отримані результати за допомогою спектроскопічних вимірювань і комп'ютерного моделювання методом молекулярної динаміки. Як експеримент, так і моделювання вивчали досить широкий діапазон температур - від 0 до -100 градусів Цельсія.
Виявилося, що в температурній залежності коефіцієнта тертя є дві характерні області, які визначаються різними фізичними ефектами. При відносно високих температурах (приблизно від 0 до _ 10 градусів Цельсія) сила тертя визначається пластичною деформацією льоду при його продавлюванні. Оскільки нормальна сила, необхідна для втискування кульки в лід, збільшується при охолодженні, то цей ефект помітний тільки дуже близько до температури плавлення, але призводить до різкого падіння коефіцієнта тертя вже до -5 градусів Цельсія. У діапазоні від -5 до -10 градусів коефіцієнт тертя аномально низький (його мінімальне значення в цьому інтервалі становить приблизно 0,01), а при подальшому зниженні температури він знову починає зростати, поступово збільшуючись приблизно до 0,5 при -100 градусах (це значення не виходить за межі характерних значень для інших твердих тіл). При цьому його температурна залежність на цьому інтервалі має виражений арреніусівський вигляд і визначається енергією активації близько 11,5 кілоджоуля на моль.
За характерним видом температурної залежності, а також спектроскопічними даними і результатами моделювання автори роботи припустили, що при температурах нижче -5 градусів Цельсія сила тертя визначається дифузією молекул води в поверхневому шарі. При відносно високих температурах теплова енергія допомагає розірвати слабкі водневі зв'язки, які пов'язують поверхневі молекули з об'ємом кристала, і привести ці молекули в рух. При охолодженні частка рухомих молекул у поверхневому шарі зменшується, коефіцієнт дифузії починає падати, а коефіцієнт тертя - навпаки, зростати.
За словами фізиків, запропонований ними механізм ковзання визначається дифузією рухомих молекул води в зовнішньому шарі, але не передбачає при цьому як такого плавлення льоду. Це підтверджують і експериментальні дані: вимірена температурна залежність коефіцієнта тертя безперервна і призводить до переходу в нормально «кільказький» стан, але ніяких фазових переходів при цьому в системі не відбувається.
Автори роботи зазначають, що наявність двох механізмів, що визначають силу тертя в різних температурах, призводить до того, що низьке тертя для льоду характерне лише в досить вузькому інтервалі, коли обидва ефекти, що підвищують тертя, слабкі - близько -7 градусів Цельсія. Саме такі температури використовують, наприклад, у зимових видах спорту: ковзанярському спорті, фігурному катанні, хокеї або керлінгу.
Через те, що лід володіє аномально низьким коефіцієнтом тертя, дуже складно зробити взуття, в якому можна безпечно ходити по обледенілих дорогах. Наприклад, канадські дослідники виявили, що переважна більшість зимового взуття не підходить для безпечного пересування в умовах ожеледиці.