Невероятное часто скрывается под личиной обыденного. Прогуливаясь по запорошенным снегом улицам старой Праги, Йоган Кеплер задумался об удивительном свойстве сыпавшихся с неба снежинок: несмотря на потрясающее разнообразие этих естественных поликристаллов, все они имели простую шестиугольную симметрию. Один из величайших мыслителей эпохи Ренессанса, разобравшийся в тонкостях движения планет, Кеплер, не сомневался в своих способностях быстро найти ответ на этот «простой», казалось бы, вопрос. Имперского математика и астронома, тем не менее, ждал неприятный сюрприз. В 1611 году Кеплер опубликовал двадцатистраничный трактат, в котором с сожалением констатировал неспособность «современной науки» объяснить морфологию снежинок. Этот манускрипт считается первой научной работой в области физики и химии льда.

Иоганн Кеплер-первый ученый, опубликовавший научную статью о свойствах льда.

Прошло почти четыреста лет, и, несмотря на грандиозные достижения во многих областях науки, лед продолжает упорно хранить свои тайны. В течение последних десяти лет затраты Национального Агентства по Науке США на экспериментальные и теоретические исследования в области физики и химии льда составили более двадцати миллионов долларов. Такие вот недетские средства потребовались на то, что бы найти ответы на некоторые, казалось бы, до смешного простые вопросы. Очередной международный симпозиум по Физике и Химии льда соберет в этом году в Германии сотни ученых. В университетах одной Америки насчитывается, по крайней мере, пятьдесят лабораторий так или иначе связанных с исследованиями свойств разнообразных форм льда. Почему? Зачем? Кому это интересно? Вот всего лишь несколько примеров, объясняющих значение научных работ в этой интересной области.

В начале девяностых годов прошлого века исследования свойств льда получили новый толчок. Согласно результатам исследований американского ученого Роберта Молины, одной из основных причин разрушения озонового слоя явились выбросы в атмосферу так называемых фреонов, химических соединений, использующихся в качестве промышленных растворителей и хладагентов. Дальнейшие работы в этом направлении установили один любопытный факт: сложные реакции разрушения озона были бы невозможны без участия микроскопических кристаллов льда, из которых состоят облака в верхних слоях атмосферы. Роль льда в химии окружающей среды еще раз продемонстрировало значение фундаментальных исследований этого широко распространенного в природе твердого вещества.

Полярные облака, состоящие из микроскопических кристаллов льда.

В течение последних лет США, а так же страны Западной Европы, придают все большее значение своей энергетической безопасности. Тают мировые запасы нефти. Растут цены на природный газ. В прессе периодически появляются статьи, провозглашающие начало эпохи энергетических войн. Пугая обывателя энергетическими катастрофами, авторы таких публикаций часто демонстрируют собственное невежество: согласно начавшимся еще в середине прошлого века исследованиям источник природного газа (метана) на Земле - практически неиссякаем. Оказывается, огромное количество газа сосредоточено на дне океанов в виде подобного льду твердого вещества, так называемого метанового гидрата. Запасы природного газа в виде «горючего льда» превышают запасы обычных месторождений в десятки тысяч раз. Фундаментальные исследования свойств различных твердых растворов воды позволят в скором будущем разработать технологии добычи и утилизации природного газа со дна океанов.

"Горючий Лед" - гидрат метана, неиссякаемый источник природного газа на дне океана.

Наверное, многие читатели “Тусово” смотрели фильм “Чужие”, в котором отважные бойцы с инопланетной нечистью отправляются в космический полет в состоянии криогенного анабиоза, то есть состоянии глубокой заморозки. Голливудские сказки? Да как вам сказать, не совсем. Уже несколько лет Национальный Институт Здоровья США спонсирует фундаментальные исследования процессов образования льда в белковых растворах. Цель таких исследований - создание новых технологий криогенной консервации живых тканей. Технологии криогенной консервации позволили бы, например, в течение нескольких лет сохранять донорские органы путем замедления реакций биологического распада при понижении температуры. К сожалению, при низких температурах образующиеся в живых клетках кристаллы льда рано или поздно разрывают клеточные оболочки, убивая живые ткани. Благодаря фундаментальным исследованиям механизмов образования кристаллов льда в присутствии так называемым белков – антифризов, в последние годы появилась надежда решить эту проблему.

Криогенное хранилище. Рыба "Trematomus hansoni" способна выжить при очень низкой температуре. Белки-антифризы в организме этих рыб замедляют рост кристаллов льда.

Какие же все-таки загадки таит в себе лед? Верите или нет, но вплоть до последнего времени ученые спорили о причинах аномально низкого коэффициента трения, характерного для поверхности льда, то есть о том, почему лед скользкий. Начало этих дискуссии было положено еще 150 лет назад. Шотландский физик Вильям Томсон (Лорд Келвин) был, например, уверен, что легкое скольжение какого-либо предмета на поверхности льда объясняется его плавлением в результате давления предмета на поверхность. Эта гипотеза была опровергнута в результате экспериментальных и теоретических исследований, ведущихся в настоящее время. Оказывается, что даже при очень низких температурах (вплоть до -100 градусов Цельсия), поверхность льда покрыта чрезвычайно тонким слоем жидкой воды. Образование на поверхности льда жидкой пленки при низких температурах является манифестацией так называемого явления поверхностного плавления. Несмотря на то, что существование эффекта поверхностного плавления в случае льда доказано, ученые до сих пор спорят о фундаментальных свойствах квази-жидкого слоя на его поверхности.

Образования квази-жидкого слоя на поверхности льда. Благодаря существованию такого слоя, лед остается скользким даже при очень низких температурах.

Фундаментальные знания, полученные в ходе исследования свойств поверхности льда, привели к нескольким забавным изобретениям. Несколько лет назад, русский физик Виктор Петренко сделал интересное открытие: в присутствии электрического поля предметы буквально приклеивались к поверхности льда. Обладая недюжинным предпринимательским талантом, бывший преподаватель Московского Физико-Технического Института основал компанию, которая в настоящее время занимается, в частности, производством лыж, оснащенных «электрическими тормозами». Используя лыжи профессора Петренко, вы могли бы, например, избежать скольжения во время подъема по склону горы. В будущем, технология контроля коэффициента трения на поверхности льда может быть также использована в шинах автомобилей.

Профессор Петренко-изобретатель "лыжного тормоза".

Как вы догадались, рассказывать про лед я могу часами. Это у меня профессиональное, я аспирантка Факультета Химии Университета Вашингтона, где я уже третий год занимаюсь исследовательской работой в области физической химии льда. Тема моего проекта может быть переведена с английского приблизительно так: «Разработка новых лабораторных методов изучения процессов переноса, фазовых переходов и химических реакций в тонких водосодержащих пленках». Несмотря на то, что названия проектов в нашей области часто звучат по научному сухо, ученые, изучающие лед, как правило, наделены ярким воображением и склонны к мистицизму. В этом нет ничего удивительного, лед всегда восхищал и пугал человека. Лед, в такой же степени, как и огонь, служил источником вдохновения для поколений музыкантов и поэтов. Вспомните, хотя бы, знаменитое стихотворение Роберта Фроста "Огонь и Лед":

Картина художника Клингмана, "Айсберг"