Фізики вивчили механічні властивості прикордонного шару на поверхні льоду - вони виявилися сильно відрізняються від відповідних параметрів води в обсязі. Зокрема, товщина цього шару виявилася набагато меншою теоретично очікуваної, а в'язкість приблизно на два порядку більшою, ніж у чистої води. Отримані результати вперше дозволяють дати повноцінне пояснення легкості ковзання по льоду, незважаючи на численні дослідження з цієї теми в минулому, пишуть автори в журналі.
Гладкі поверхні спресованого снігу і льоду володіють дивовижно низьким коефіцієнтом тертя, що дозволяє ковзати по них, наприклад, за допомогою ковзанів або лиж. Ця обставина відома людям з найдавніших часів і протягом як мінімум 150 років привертала пильну увагу вчених, які намагалися знайти пояснення цим процесам.
Основна ідея, яку зазвичай використовують для опису феномену слизькості льоду, - це поява тонкого шару рідкої води між льодом і предметом, що рухається по ньому. Цю гіпотезу висловив відомий фізик Майкл Фарадей у роботі 1859 року. Вважається, що рідина виникає при плавленні поверхневого шару кристалічної фази. Однак довга історія вивчення цього питання не дозволила досконально розібратися в нім. Зокрема, залишалося неясним, як вода, яка являє собою поганий мастильний матеріал порівняно з маслами, може настільки зменшувати тертя. Також багато параметрів рідкого шару не були виміряні безпосередньо.
Французькі фізики під керівництвом Лідерік Боке (Lydéric Bocquet) з Вищої нормальної школи в Парижі описали експерименти з новим трибометром (прилад для вимірювання тертя ковзання), що вперше дозволило виміряти властивості саме найрідкішого шару на поверхні льоду. У результаті вченим вдалося довести наявність цього шару, саме існування якого ставилося під сумнів, а також виміряти його товщину і в'язкоупругу властивості.
Основним вимірюючим інструментом у роботі виступає зонд у вигляді кульки міліметрового розміру, який прикріплений до механічного резонатора, - модифікований різновид камертонного атомно-силового мікроскопа. Ця система відповідає пружинному маятнику з добротністю близько 2500, тобто з дуже малим загасанням.
Коливання камертона змушують зонд рухатися вперед-назад по поверхні льоду з відомою заздалегідь амплітудою і швидкістю. Експеримент полягає в приведенні в контакт зонда з поверхнею крижаного кубика, що змінює частоту коливань і добротність системи, оскільки виникає тертя збільшує дисипацію енергії. Ці зміни можна виміряти з високою точністю, а на їх основі обчислити в'язкість середовища, в якому відбувається рух.
Вимірена в'язкість шару виявилася на рівні сотень міліпаскаль-секунд, що приблизно в сто разів більше, ніж у звичайної води, і відповідає типовим значенням олій. Товщина шару виявилася на рівні часток мікрометра, що значно менше більшості теоретичних оцінок. Також фізикам вдалося показати, що для води в прикордонному шарі властива псевдопластичність, тобто зменшення в'язкості при збільшенні зрушень, що зазвичай характерно для неньютонівських рідин, таких як насичені розчини полімерів.
Дослідники підсумовують, що дані експериментів можна інтерпретувати як відсутність повного плавлення води в прикордонному шарі. Отримані результати краще пояснюються в припущенні, що на поверхні утворюється суміш дробленого льоду і води. У додаткових дослідах з гідрофобним зондом тертя ще сильніше зменшилося, що пояснює краще ковзання лиж, змащених водовідштовхувальними речовинами.
Раніше фізики провели серію експериментів зі стиснення льоду, які не підтвердили гіпотезу «дволичності» води, тобто опису її як суміші двох рідин. Дослідження льоду в замерзаючих краплях продемонструвало схожість його будови з губкою. А помилуватися на види нашої планети з космосу можна в нашому матеріалі «Пісня льоду і повітря».