Китайські науковці розв’язали 166-річну загадку Майкла Фарадея

Міжнародна команда фізиків із Пекінського університету нарешті пояснила загадку, яку ще 166 років тому описав Майкл Фарадей: чому поверхня льоду може залишатися вологою навіть за мінусових температур. Це явище, яке вчений назвав «попереднім плавленням», довгий час залишалося без чіткого пояснення, попри його значення для метеорології, кріобіології та фізики матеріалів.

Фарадей ще у 1842 році помітив, що шматки льоду можуть з’єднуватися завдяки тонкому шару води на їхній поверхні, навіть коли температура нижча за 0°C. Саме цим він пояснював, чому сніжки добре ліпляться. Згодом фізики підтвердили існування такого шару, але механізм його утворення залишався незрозумілим.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Phys­i­cal Review X, показало, що на поверхні льоду формується не просто рідиноподібний шар, а тонкий шар аморфного льоду — тобто речовини, де молекули води не мають впорядкованої кристалічної структури. Вчені виявили, що цей шар може виникати навіть при температурі до ‑153°C, що значно нижче від межі, за якої раніше вважалося можливим «попереднє плавлення».

Команда використала поєднання машинного навчання та атомно-силової мікроскопії, щоб змоделювати і перевірити розташування молекул на поверхні льоду. Дослідники дійшли висновку, що безлад у розташуванні протонів на межі кристала послаблює зв’язки між молекулами, створюючи вакансії, які й призводять до утворення аморфного шару.

Вчені наголошують, що ця модель може пояснити не лише властивості льоду, а й інші наноструктуровані та невпорядковані поверхні. Крім того, явище «попереднього плавлення» відіграє роль у формуванні хмар, збереженні біоматеріалів під час заморожування та навіть у тому, чому люди можуть ковзати по льоду. Нове відкриття, за словами авторів, завершує тривалу наукову історію, розпочату ще самим Фарадеєм.