Kvant. О морозных узорах

Митрофанов А. О морозных узорах и царапинах на стекле //Квант. — 1990. — № 12. — С. 18-19.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Зимой в сильные морозы на окнах домов, в транспорте можно наблюдать красивые ледяные узоры. Удивительное творение зимы эта морозная «живопись»! Причудливые ветви и цветы, перья диковинных птиц, прозрачные радужные звезды-снежинки, тончайший геометрический орнамент... — морозные узоры разнообразны и неповторимы. А иногда пушистый снежный «мех» покрывает стекло — это слой мелких ледяных кристаллов, матовая поверхность которого служит примером идеально рассеивающего экрана.

Доводилось ли вам наблюдать, как зарождаются ледяные рисунки на оконных стеклах? Оказывается, очень часто самые первые кристаллы льда появляются на оконных стеклах не произвольно, не где попало, а вдоль царапин, микротрещин и других дефектов, которые всегда есть на стеклах. Такие ледяные кристаллы как бы визуализируют эти невидимые или почти невидимые дефекты.

Явление, о котором идет речь, наблюдается не только зимой при замерзании оконных стекол, но и во многих случаях при конденсации паров или при осаждении какого-либо вещества на поверхности аморфного или кристаллического твердого тела с нарушенной структурой поверхности. Это явление называется декорированием (от латинского слова decoro — украшаю).

Микродефекты, такие как микротрещины, точечные дефекты, дислокации (линии, вдоль которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей в кристалле) и т. д., приводят к появлению локальных силовых полей, действующих на осаждаемые частицы вещества вблизи этих дефектов. Например, нескомпенсированный электрический заряд может возникнуть в местах излома поверхности и вблизи микротрещин диэлектрика. Атомам осаждаемого вещества оказывается энергетически выгодно выстраиваться на поверхности твердого тела около дефектов. Дефекты служат как бы «затравочными» центрами для роста кристаллов на поверхности. Размеры кристаллов в ходе их роста могут значительно превышать характерные размеры микродефектов, так что декорирование позволяет наблюдать (иногда даже невооруженным глазом) микродефекты, размеры которых могут быть соизмеримыми с атомными. Явление декорирования лежит в основе одного из методов исследования нарушений структуры твердых тел.

Если превращение твердое тело — пар не обходится без жидкой фазы, то рассматриваемое явление имеет некоторые особенности. Микротрещины и поры на поверхности тела способствуют конденсации паров вещества (если, конечно, образуется жидкость, которая смачивает стенки пор и трещин). Это явление называется капиллярной конденсацией, и суть его заключается в том, что давление насыщенных паров над искривленной (вогнутой) поверхностью жидкости меньше, чем над плоской. Поэтому жидкость конденсируется прежде всего в порах и трещинах. При дальнейшем охлаждении жидкости и ее замерзании вдоль трещин и вблизи пор появляются кристаллы конденсата, например льда. Вот о чем напомнили нам вереницы ледяных кристалликов на оконном стекле, возникшие при резком зимнем похолодании.

Так что красотой морозного узора мы обязаны несовершенству поверхности стекла.