Новости науки 24.02.01 Поверхностное предплавление льда

Плавление кристалла - явление сложное. Оно начинается не сразу и происходит не в "один прием". Упорядоченность в кристалле начинает разрушаться задолго до наступления "номинальной" температуры плавления, и то, как происходит это предплавление - в деталях до сих пор не выяснено. Поэтому недавние экспериментальные исследования предплавления льда [X.Wei, P.Miranda, Y.Shen, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 1554], безусловно, являются важным шагом на пути к пониманию этого явления.

Еще Фарадеем было высказано предположение, что задолго до достижения температуры плавления на поверхности льда возникает жидкостный слой. Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные за последние десятилетия, в самом деле, подтвердили наличие такого слоя. Однако до сих пор так и не удавалось выяснить структуру этого слоя, температуру, при которой он возникал, динамику его роста при повышении температуры вплоть до точки плавления. Частично, этот пробел был ликвидирован в указанной выше работе, в которой свойства поверхности льда изучались с помощью спектроскопии колебательных степеней свободы воды.

Суть методики заключается в следующем. Молекулы воды содержат OH связи. Частота их колебаний зависит от того, являются они связующими (то есть, находятся в толще материала) или свободными (то есть, находятся на поверхности и "торчат" наружу). Обе частоты ясно видны и хорошо разделяются на инфракрасных спектрах льда/воды. Таким образом, если мы будем обращать внимание только на пик, отвечающий свободным связям, то мы сможем исследовать то, что происходит на самой поверхности льда.

Далее, благодаря тому, что падающий и регистрируемый свет поляризован, интенсивность этого пика будет зависеть от пространственной ориентации OH связи. Такой эффект позволяет изучать ориентационное распределение приповерхностных OH связей, а это уже дает многое. Например, если все OH связи окажутся строго ориентированы, то это будет прямым свидетельством упорядоченной кристаллической структуры поверхностного слоя. Более-менее широкое распределение по углам будет означать явную хаотичность в поверхностном слое, то есть жидкий поверхностный слой. Именно таким способом и исследовалась поверхность льда в работе [X.Wei, P.Miranda, Y.Shen, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 1554].

Ориентационный параметр порядка (черные символы) и разброс по углам ориентации поверхностных OH связей (светлые символы) в зависимости от температуры

Основной результат этой работы приведен на Рисунке. Черными символами показаны результаты измерения ориентационного параметра порядка приповерхностных OH связей, светлые же символы показывают максимальный угол отклонения OH связей от среднего направления. Видно, что уже при температуре около 200 К (-70 С !) ориентационная упорядоченность начинает постепенно разрушаться. С ростом температуры разупорядоченность усиливается, так что можно сказать, что в этой области на поверхности льда находится расплавившийся квази-жидкий слой.

Почему именно квази-жидкий? Потому что, как видно из результатов эксперимента, он заметно отличается от настоящей жидкости (см. данные выше точки плавления). Особенное удивление вызывает то, что этот квази-жидкий слой выглядит даже более хаотичным, чем настоящая жидкость. Понимания того, как такое возможно, и как устроен этот квази-жидкий слой, пока нет. Однако экспериментальные данные вполне однозначно говорят о том, что этот поверхностный слой не есть просто переходная стадия между льдом и водой, а представляет собой совершенно особенную структуру.

Игорь Иванов

На главную страницу

перейти к началу страницы