Ледяные волосы: когда лёд растёт как трава

В морозное утро, прогуливаясь по смешанному лесу, можно наткнуться на удивительное зрелище: из гнилой ветки лиственного дерева торчат тончайшие белые нити, похожие на шелковистые волосы или сладкую вату. При прикосновении они оказываются холодными и хрупкими — это не грибница и не паутина, а самый настоящий лёд. Это явление, известное как «ледяные волосы» (hair ice, ice wool), настолько необычно, что в течение почти ста лет оставалось одной из загадок физики низких температур. Лишь в 2015 году учёные окончательно разобрались, как и почему лёд на гниющей древесине растёт не коркой, а тончайшими волокнами.

Условия появления

Ледяные волосы — явление достаточно редкое, требующее строгого набора условий. Чаще всего его наблюдают в широколиственных лесах умеренного пояса, преимущественно на широтах между 45° и 55° северной широты. Для роста ледяных волос необходима высокая влажность (близкая к 100%), температура воздуха чуть ниже 0 °C, а также отсутствие осадков и прямого солнечного света. Лёд образуется именно на мёртвой, разлагающейся древесине лиственных пород — никогда на коре, всегда на открытых участках древесины, преимущественно у выхода сердцевинных лучей (древесных радиальных каналов). Длина одного волокна может достигать 20 см, средняя толщина — около 0,02 мм (диаметр человеческого волоса — 0,04–0,1 мм). Волокна эти хрупкие, часто скручены в локоны или волны, при этом одна и та же гнилая ветка может давать ледяные волосы несколько зим подряд.

Столетие поисков

В 1918 году явление впервые подробно описал Альфред Вегенер — тот самый учёный, который позже прославится теорией дрейфа континентов. Он заметил, что ледяные волосы появляются только на мёртвой древесине, и предположил, что причиной является какой-то специфический грибок. Вегенер обратил внимание на беловатый паутинистый налёт на поверхности древесины, который его ассистент опознал как грибной мицелий — массу тонких нитей, из которых и вырастают грибы. Однако доказать свою догадку экспериментально в то время не удалось.

Лишь спустя почти 100 лет, в 2015 году, интернациональная команда учёных из Германии и Швейцарии окончательно разгадала эту загадку. Физик Кристиан Мецлер, химик Диана Хофманн и биолог Гизела Пройсс (своеобразное трио «физик-химик-биолог») поставили серию экспериментов и подтвердили правоту Вегенера.

Исследователи собрали образцы древесины, на которых росли ледяные волосы, и под микроскопом обнаружили на всех них гриб Exidiopsis effusa (из семейства Exidiaceae). Образцы, обработанные фунгицидом или нагретые так, что гриб погибал, ледяных волос больше не давали — на них образовывалась лишь обычная ледяная корка. Причём, по словам Мецлера, «одно и то же количество льда образуется на древесине с грибом и без него». Разница не в количестве, а в структуре: гриб не увеличивает массу льда, а заставляет его расти в виде тонких волокон, предотвращая их срастание в сплошной слой.

Механизм формирования

В физической основе роста ледяных волокон лежит процесс, известный как ледяная сегрегация (ice segregation). При промерзании влажной гниющей древесины вода, содержащаяся в порах, начинает кристаллизоваться, а грибная активность придаёт процессу совершенно особый характер.

Когда температура опускается чуть ниже нуля, вода у поверхности ветки замерзает, формируя тонкую ледяную плёнку. Между этой плёнкой и ещё не замёрзшей водой в порах возникает перепад давления. Вода из древесных пор под действием капиллярных сил устремляется к фронту замерзания, где при соприкосновении с холодным воздухом сразу превращается в лёд, «приклеиваясь» с нижней стороны к поверхности и постепенно «выталкивая» её наружу. Так и формируется тонкий ледяной волос, который может вытягиваться на десятки сантиметров.

Ключевая роль гриба — не в создании ледяных волокон как таковых (это делает физика промерзания), а в придании им стабильной тонкой формы. Гриб выделяет сложные органические вещества, которые попадают в воду и, замерзая, «цементируют» нити, предотвращая их срастание в монолитную корку и подавляя рекристаллизацию — слияние мелких кристаллов льда в крупные зёрна.

С инженерной точки зрения это явление интересно как пример биогенного управления процессом кристаллизации. Понимание того, как живые организмы управляют структурой льда на молекулярном уровне, может иметь прямое практическое значение — от разработки биомиметических антиобледенительных покрытий до совершенствования методов криоконсервации биоматериалов на основе природных ингибиторов рекристаллизации.

Фото из открытых источников yandex.ru/images/