冰為什么是滑的，這事科學(xué)界居然吵了170年

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丹尼爾·博恩（Daniel Bonn）是荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)物理系主任，多年來(lái)一直癡迷于研究冰。去年快到圣誕節(jié)時(shí)，博恩與同事通過(guò)3D打印技術(shù)，用冰制作了一棵高僅8厘米的圣誕樹。此外，他還對(duì)與滑冰有關(guān)的物理學(xué)很感興趣，特別是冰面為什么會(huì)這么滑？

為了探究這一現(xiàn)象，他曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里打造過(guò)冰宮（ice palace），也搭建過(guò)微型“滑冰場(chǎng)”（microscopic ice-skating rink）。在這個(gè)微型滑冰場(chǎng)里，他們讓一塊金屬球（如鋼球）模擬冰刀的刀刃，并以不同的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)測(cè)量該金屬移動(dòng)所需的力及其對(duì)冰面施加的力。兩種力的比值就代表了冰面的滑溜程度。

博恩與同事在2018年測(cè)量了冰在零下100攝氏度至0攝氏度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冰面在零下100攝氏度的摩擦系數(shù)最高，冰面不怎么打滑；然而，隨著溫度升高至零下70攝氏度，冰面的摩擦系數(shù)開始降低，并在零下7攝氏度達(dá)到最小值——而這正是短道速滑一般要求的冰面溫度。

他們還通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬證明，冰面上存在兩種類型的水分子，包括通過(guò)三個(gè)氫鍵與下方冰體相結(jié)合的固定水分子，以及僅通過(guò)兩個(gè)氫鍵結(jié)合的流動(dòng)水分子。這些流動(dòng)水分子會(huì)像微小的球體一樣在冰面上滾動(dòng)，且其數(shù)量隨溫度升高而增加。研究者指出，正是表面流動(dòng)水分子的存在，才引起了冰的滑溜性。換句話說(shuō)，他們認(rèn)為，滑冰者能在冰面上滑行，是因?yàn)樗麄冋驹谝粚痈吡鲃?dòng)性的水分子層上。

從定義上看，冰的確是由水分子按照不同方式堆疊而成的晶體。可是，冰表面怎么是層水，以及冰打滑背后的機(jī)制真是如此嗎？

阿姆斯特丹大學(xué)的丹尼爾·博恩團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)微型滑冰場(chǎng)來(lái)研究冰的滑溜問(wèn)題。圖片來(lái)源： 丹尼爾·博恩

冰上一層水

早在1842年，英國(guó)著名物理學(xué)家、化學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday，因發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律而為人熟知）就發(fā)現(xiàn)如果把兩塊冰壓在一起，它們最終會(huì)融合成一大塊冰，且冰塊表面有一層薄薄的、難以用肉眼看見的液體。這其實(shí)就是預(yù)融化（premelt），也就是冰表面在低于其熔點(diǎn)（0攝氏度）下開始融化的現(xiàn)象。但那時(shí)，法拉第無(wú)法解釋冰面這層液體為什么會(huì)存在。

后來(lái)，物理學(xué)家花了差不多100年，才證實(shí)冰表面的確存在一層薄層，并且認(rèn)為在這一所謂的預(yù)融層里，分子靠近表面，很容易在冰鞋、滑雪板或鞋子的作用下發(fā)生移動(dòng)。也就是說(shuō)，冰表面這層水能起到潤(rùn)滑作用。然而，冰上這層水是怎么來(lái)的，及其在冰的滑溜性中所起的具體作用，如今均尚無(wú)定論。比如此前有科學(xué)家認(rèn)為是壓力使冰融化產(chǎn)生的水層，也有人認(rèn)為是摩擦生熱導(dǎo)致冰融化的，另外就是這層水也許就是冰本身就有的。170多年過(guò)去了，科學(xué)家對(duì)冰上這層水的興趣絲毫不減。

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幾年前，北京冬日的一天，北京大學(xué)物理學(xué)院教授江穎在未名湖畔散步時(shí)，也看到了湖面上類似的亦水亦冰的現(xiàn)象。這讓他倍感好奇，他也受到啟發(fā)開始探究冰的表面，試圖弄清楚冰面預(yù)融化這一長(zhǎng)達(dá)170多年的爭(zhēng)議問(wèn)題。

據(jù)悉，江穎團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高分辨掃描探針顯微鏡（SPM）的自主研發(fā)和應(yīng)用，創(chuàng)新性地開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對(duì)各種絕緣體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子級(jí)分辨成像，因而適用于研究通常被視為絕緣體的冰表面。

于是，他們利用基于這套探針技術(shù)的原子力顯微鏡（AFM），以原子級(jí)精度分析了冰表面如何隨溫度變化而變化，結(jié)果首次獲得了自然界最常見的六方冰表面的原子級(jí)分辨圖像。

此前，科學(xué)家認(rèn)為，在地球表面常壓環(huán)境下，能穩(wěn)定存在的只有一種冰——六方冰。比如，自然界中，雪花、霜凍、冰雹以及南北兩極的冰川都是六方冰，而雪花的六角形也能追溯到這種冰的六方結(jié)構(gòu)。

然而，江穎和同事卻看到冰表面不僅有六方堆疊方式，還有立方堆疊方式，也就是說(shuō)同時(shí)含有這兩種冰結(jié)構(gòu)。但科學(xué)家此前通常認(rèn)為立方冰需要在高壓環(huán)境才能穩(wěn)定存在，在大自然中并不常見。

此外，他們觀察到，冰表面在零下153攝氏度就開始融化，而不是此前普遍認(rèn)為的零下70攝氏度左右。這意味著，地球任何地點(diǎn)的溫度，都高于冰的預(yù)融化起始溫度，也就是說(shuō)，地球上所有的冰都處于預(yù)融化狀態(tài)，表面都存在液體。而冰上這層水與冰的滑溜性密切相關(guān)。相關(guān)研究于前年5月發(fā)表于《自然》（Nature）。

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這一團(tuán)隊(duì)對(duì)冰表面及其打滑性的探究并沒有到此結(jié)束。去年12月，結(jié)合人工智能和原子力顯微技術(shù)，江穎教授、北京大學(xué)物理學(xué)院徐莉梅教授及洪嘉妮特聘研究員合作發(fā)現(xiàn)了冰表面融化前可能會(huì)經(jīng)歷的一個(gè)階段。

結(jié)果表明，在零下152攝氏度到零下93攝氏度的溫度范圍內(nèi)，冰在融化前會(huì)形成一種此前未知的“無(wú)定形冰層”。這層冰分子仍處于固態(tài)，保留了類似固體的動(dòng)力學(xué)特性，但不再像冰晶那樣按規(guī)則呈有序排列。隨著溫度升高，這層無(wú)定形冰會(huì)逐漸演變?yōu)轭愐后w層。這一發(fā)現(xiàn)為理解冰的融化和生長(zhǎng)提供了全新的視角，意味著無(wú)定形冰層或許應(yīng)被納入到冰預(yù)融化相圖中。

我們對(duì)冰為什么打滑，以及冰上一層水的認(rèn)識(shí)，更像是走在一條冰封的道路，需要我們不斷跌倒、滑倒、爬起來(lái)和再次嘗試，從而對(duì)它才會(huì)有更深的了解。

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/9fzf-y9n9

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07427-8-history

https://www.iflscience.com/faradays-enigma-of-premelted-ice-finally-explained-after-166-years-81980

https://www.spektrum.de/news/schlittschuheffekt-eis-schmilzt-schon-bei-150-grad/2217777

https://medium.com/curiosity-explained/why-is-ice-slippery-two-centuries-of-smart-people-eating-concrete-b3d1125e86cd

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05225-7

來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

編輯：LogicMoriaty

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