Naujasis Komplutenso universiteto tyrimas suderina dešimtmečius trukusius prieštaringus eksperimentus ir parodo, kad ant ledo visada yra skystas sluoksnis, nors jis yra daug plonesnis ir sunkiau pastebimas, nei mes manėme
Vanduo yra, be abejo, keisčiausia ir įdomiausia medžiaga žinomame visate. Skirtingai nei beveik visos kitos medžiagos, jis užšaldamas išsiplečia, o ne susitraukia, todėl ledas plūduriuoja ant gaiviojo gėrimo, o ne nugrimzta į dugną. Tai universali tirpiklio medžiaga, gyvybės lopšys, tačiau ji vis dar saugo paslaptis, kurios šimtmečius glumina fizikus. Bet jei skystas vanduo yra sudėtingas, jo kietasis „brolis“ ledas yra termodinaminis košmaras.
Pagalvokite apie ledo kubelius savo šaldiklyje. Tai, žinoma, ledas, bet jo struktūra visiškai nepanaši į unikalių kristalų, susidarančių sniego debesyse, ar į užšalusio sluoksnio, dengiančio tvenkinį žiemą. Kai temperatūra krinta, ledo kristalai pradeda savotišką struktūrinį „kalnų ir slėnių“ kelionę: jie gali išaugti į tvirtas šešiakampes prizmes, tapti plokščiais plokštelėmis arba netgi atsistoti kaip gražios graikų kolonos.
Kodėl taip atsitinka? Kas vieną snaigę paverčia tobulą žvaigždę, o kitą – kolona? Ilgą laiką šis reiškinys buvo visiška mįslė mokslininkams, bandžiusiems jį suprasti.
Kai ankstyvieji tyrinėtojai pastebėjo šį reiškinį, jie iš karto prisiminė seną hipotezę, kurią XIX a. pasiūlė vienas iš moderniosios fizikos tėvų, Maiklas Faradejus. Ledas, net ir esant žemiau jo lydymosi temperatūros, visada turi mikroskopiškai ploną skysto vandens sluoksnį ant savo paviršiaus. Tai tarsi nematoma drėgna „oda“.
Dvi šimtmečius trunkanti diskusija
Šis tariamas „priešlydimo sluoksnis“ paaiškintų daug dalykų, įskaitant tai, kodėl ledas yra slidus (tai retas reiškinys, nes paprastai neslydame ant granito ar plieno).
Tačiau šio sluoksnio pobūdis ir netgi jo egzistavimas buvo karštų ir ilgų mokslinių ginčų objektas. Dešimtmečius laboratorijos visame pasaulyje pateikė prieštaringus rezultatus. Kai kurie eksperimentai teigė, kad skystas sluoksnis egzistuoja ir yra storas, o kiti teigė, kad jis yra toks plonas, kad vargu ar galima sakyti, kad jis apskritai egzistuoja. Bet kas yra tiesa? Atrodė, kad bent jau šiuo klausimu fizika buvo patekusi į aklavietę. Iki šiol.
Galimas šios mįslės sprendimas buvo rastas mokslininko Luiso MacDowello, Complutense universiteto tyrėjo, kuris, atrodo, surado raktą, suderinančią visus šiuos prieštaravimus ir užbaigiančią diskusijas. Jo tyrimų rezultatai ką tik buvo paskelbti žurnale „The Journal of Chemical Physics“.
Taškas, kuriame viskas sutampa
Norėdamas išnarplioti šį Gordijo mazgą, MacDowell nusprendė nesikoncentruoti tiesiogiai į ledą kaip tokį, o į jo fazių diagramą, „žemėlapį“, kurį fizikai naudoja norėdami suprasti, kaip ledas, skystas vanduo ir garai egzistuoja kartu priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Pasirodo, šiame žemėlapyje yra „stebuklinga“ vieta, mažytė taškas, vadinamas „trigubu tašku“, kur trys fazės yra vienodai stabilios ir egzistuoja tobulos pusiausvyros būsenoje. Tai yra subtilus ribos taškas, kur vanduo „nežino“, ar elgtis kaip dujos, skystis ar kietas kūnas.
Naudodamas pažangias kompiuterines simuliacijas, mokslininkas sugebėjo vizualizuoti molekulių judėjimą ant paties ledo paviršiaus. Jis pastebėjo, kad būtent trigubame taške iš tiesų atsirado plėvelė, nors ir nepaprastai plona, vos nanometro storio. Tai yra viena milijardinė metro dalis.
Ir būtent ten, tame nematomame taške, kyla istorinė problema. Iš tiesų, jei modeliavimas rodo beveik nepastebimą skysčio sluoksnį, kodėl daugelyje realių fizikinių eksperimentų buvo pranešta apie daug storesnę plėvelę, kurioje yra daug daugiau skysčio?
Pusiausvyros spąstai
MacDowell darbo originalumas glūdi būtent jo paaiškinime dėl šio neatitikimo. Mokslininko teigimu, istorinė painiava kyla dėl to, kad dauguma eksperimentų netyčia atliekami šiek tiek nesubalansuotu būdu.
„Pusiausvyra yra taškas“, – sako MacDowell. „Galite būti kuo arčiau jo, bet niekada nebūsite tiesiai ten. Net mažiausias nukrypimas gali pakankamai sutrikdyti pusiausvyrą, todėl labai sunku išmatuoti šiuos dalykus.“
Tai būtų tarsi bandymas išlaikyti pusiausvyrą ant piramidės viršūnės. Mažiausias oro gūsis, mažiausias virpesys jį nustums. Tas pats vyksta laboratorijoje. Minimaliai nukrypstant nuo trigubo taško, sąlygos dramatiškai pasikeičia ir skystas sluoksnis atrodo sutirštėjęs.
Tyrime išsamiai aprašoma, kad dėl neįprastų vandens tankio savybių skystojo sluoksnio storis yra labai ribotas netoli pusiausvyros taško. Esant šioms labai specifinėms sąlygoms, kietas ledas yra „energetiškai pageidautinas“ būvis, palyginti su skystu vandeniu. Kitaip tariant, gamtai reikia „pastangų“, kad vanduo ant ledo paviršiaus išliktų skystas.
Tačiau šis atradimas neapsiriboja molekuline teorija. Priešingai, derindamas skirtingų fizikos disciplinų teorijas, MacDowell taip pat sugebėjo paaiškinti makroskopinius reiškinius, t. y. tuos, kuriuos galima stebėti plika akimi. Pavyzdžiui, jis sugebėjo pamatyti, kaip mažos skysčio lašelės kondensuojasi ant šio plėvelės sluoksnio, sukeldamos „dalinį sudrėkinimą“.
Ir čia mes grįžtame prie snaigių ir graikų kolonų, nes minėtas formų „kalnelis“ kyla būtent čia, šiame nematomame sluoksnyje.
„Ši sniego kristalų formos pokyčių seka“, – aiškina MacDowell, – „yra susijusi su ledo paviršiuje vykstančiais prieš tirpimo plėvelės storio pokyčiais. Jis rodo paviršiaus fazinius perėjimus, ir kiekvieno perėjimo metu staiga pasikeičia paviršiaus savybės ir augimo greitis.“
Norėdami tai geriau suprasti, galime įsivaizduoti, kad jie stato plytų pastatą (ledo kristalą). Jei staiga „cementas“ (skystas sluoksnis) pakeičia savo savybes ir tampa slidžias arba lipnesnis vienoje pastato pusėje, ta siena augs kitokiu greičiu nei kitos. Kadangi kristalo paviršiai ir šonai auga skirtingu greičiu, priklausomai nuo šio mikro sluoksnio elgesio, atsiranda skirtingos geometrinės formos: nuo kolonų iki plokščių plokščių.
Misterijos pabaiga?
MacDowell tikisi, kad jo darbas dabar galės būti pritaikytas atmosferos fizikoje (būtina klimato supratimui), trinties moksle ir netgi geresniam ledo čiuožimo mechanizmų supratimui – sporto šakoje, pagrįstoje fiziniu keistumu, kurio, tiesą sakant, mes vis dar iki galo nesuprantame.
Vis dėlto, kaip pats MacDowell pripažįsta, problema nėra visiškai išspręsta. Todėl tyrėjas dabar svarsto galimybę ištirti, kaip trintis veikia ledo slidumą ir, kas yra labai svarbu realiame pasaulyje, kaip nešvarumai veikia to sluoksnio storį. Nes gamtoje vanduo niekada nėra visiškai vienas.
Tyrimas, ir tai yra tikra, patvirtina, kad Faraday buvo teisus, nors realybė yra daug sudėtingesnė ir subtilesnė, nei jis kada nors įsivaizdavo.
