冰为什么这么滑？困扰物理学家 150 年的问题解决了

出处：快 科技   作者：宪瑞

中学的时候大家都学过物理，都知道有摩擦系数这回事，越光滑的地方摩擦就越小，比如冰块就是这样。那冰到底为什么这么滑？这个问题没想到困扰了物理学家 150 多年了，直到现在才有科学解答。

中科院高能所今天发了一篇科普文《冰为什么这么滑》，介绍了这个问题的由来及科学家的测试、验证方案，指出冰的表面与外界物体会产生一层液体薄膜，只有几百纳米到一微米厚，它像油一样粘稠，既具有粘性，也具有弹性。

在同一地点反复滑动就会产生这种水和冰的混合物，它在荷载的作用下能既表现出弹性（来自冰），也表现出粘性（来自水），所以它比普通的水更难从间隙中被挤出来。这在一定程度上可以解释这层界面为何会有如此优异的润滑性能。

以下是具体的内容，除了这个问题之外，还探讨了另外一个困扰物理学家 100 多年的问题——水是如何结冰的？

1 一个古老的问题

150 多年来，有这样一个问题一直困扰着所有物理学家，那就是：冰为什么这么滑？

一个被普遍接受的观点认为，冰之所以滑是因为在冰的表面形成了一层液态水，这层液态水可以起到润滑作用。根据这种说法，这意味着当我们在冰场上滑冰时，滑冰鞋和冰之间会形成一层融水薄膜。

然而，这仅仅是一种假设，这层融水薄膜是否真的存在一直是人们争论的话题。而且即使真的有这样一层融水，仍然有很多问题是我们不知道的，比如这层融水薄膜是怎么形成的？是因为冰表面的熔化，还是冰与滑冰鞋的摩擦生热，亦或是因为压力引起的融化导致的？

有很多问题的答案都是未知的。再比如这层融水薄膜的厚度会是多少？它有着怎样的性质？要知道一种液体润滑与否主要取决于它从两个摩擦表面之间的间隙中被挤出时所遭遇的阻力大小。液态水并不是一种好的润滑剂，它的粘度很低，很容易就从间隙中被挤出。因此如果这是一层液态水薄膜，它应该不足以在滑冰鞋与冰之间起到润滑作用，因此这层界面是如何做到减少摩擦，使冰变得更滑溜的呢？

在最近发表的一项研究中，物理学家通过设计一种新的测量力的仪器，发现确实存在这样一层物质，但它不仅是一层简单的水，它介于液态水和冰之间的状态，具有有别于我们平时接触到的水的流动属性。

2 可以 " 听 " 的测力仪

为了解答这个问题，研究人员设计了一个巧妙实验，他们研发了一种新的力测量仪，帮助他们从微观角度探讨了冰为什么滑，让他们对冰的摩擦系数，以及中间的润滑层的属性进行了测量。

在设计这套力仪器时，他们借助了一个类似于音叉的实验装置，并在音叉上连接了毫米大小的玻璃珠，玻璃珠会像一个小的冰刀一样，以几十微米的距离尺度在同一区域的冰面上滑行。音叉是用来振动的，在音叉上还附有一个加速计，用于测量玻璃珠在水平和垂直方向上的振荡振幅，从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。

这种方法为研究冰摩擦的起源打开了一扇新的窗口，尽管仪器只有几厘米大，但它的灵敏度足以在纳米尺度上研究中间的润滑层的摩擦特性。

3 意外的结果

他们发现，这层液体薄膜比预期的要小得多，只有几百纳米到一微米厚，或者说只有一根头发的百分之一厚。而且更出乎意料的是，这层润滑层远非一层简单的水，它像油一样粘稠，既具有粘性，也具有弹性。这不仅不同于普通水的行为，也不同于冰的行为，表明表面的冰并没有完全转变成液态水，而是以一种冰水和碎冰的形式混合存在。

研究人员认为，这样一层具有粘弹性的薄膜界面便是冰为何如此滑的奥秘所在。他们推测，在同一地点反复滑动就会产生这种水和冰的混合物，它在荷载的作用下能既表现出弹性（来自冰），也表现出粘性（来自水），所以它比普通的水更难从间隙中被挤出来。这在一定程度上可以解释这层界面为何会有如此优异的润滑性能。

这项研究还解释了为什么滑冰会有如此特殊的润滑现象。他们发现，润滑摩擦和伴随而来的磨损常常导致在两个摩擦物体之间形成一层不同的材料，我们可以称这种材料为第三物体。这种第三物体的形成过程依赖于两个摩擦物体的表面受磨损的方式，甚至通常与摩擦所引发的化学反应有关，因此第三个物体的形成在很大程度上是系统特有的。换句话说，很少有其他材料能在摩擦和磨损下形成具有粘弹性的液 - 固态第三物体。

4 更多的问题

这一发现使得物理学家急需对现有的描述冰摩擦的理论框架进行彻底修改。当然，一些有趣的问题依然存在，例如这种现象在崭新的冰上的形成速度是否快到能够在接触时就立马其到润滑作用？这层界面的存在如何解释滑冰场的最佳温度是 -7 ℃？研究人员希望，新的理论能更好地帮助理解一些冬季运动项目中的冰上滑动现象，以及为一些需要处理摩擦问题的应用提供有用的解决方案。

另一个百年难题：水是如何结冰的？

其实，冰与水隐藏着许多意想不到的古老谜团。我们常说 " 冰冻三尺，非一日之寒 "，而水究竟是如何冻结成冰的？这便是一个我们直到现在才找到答案的问题。

在一篇发表在《自然》杂志的文章中，中国科学院和中国科学院大学的研究人员描述了他们如何用纳米级的氧化石墨烯解开了这一谜团。

当一滴水结成冰时，它通常从一个被称为冰核的微小颗粒开始，在冰核上会形成第一个冰晶，然后冰晶再向水滴的其他部分扩散，蔓延到更大的水体。

你或许对冰核这个概念感到陌生，但你很可能见证过它发挥作用。一瓶非常纯净的水即使在 0 ℃以下也能维持液态，但只要轻轻晃动一下瓶子，水就会很快结冰。这是因为震动在水中引入了不规则的冰核，开启了冻结过程。但更常见的是冰核是杂质。新的研究确切地确认了，多大的冰核才可以开启这个冻结过程。

研究人员使用了数万亿个微小的氧化石墨烯颗粒来探讨这个问题。他们将水和纳米级的氧化石墨烯（3~50nm ）混合，然后降低温度。当他们使用小于 8nm 的氧化石墨烯颗粒时，那么只有在 -27.5 ° C 左右这样的极低温度下，颗粒边缘才会开始形成冰晶；但当大小为 8nm 时，形成冰的临界温度上升了 10 ° C 左右。他们还用其他纳米颗粒进行了同样的测试，证实了无论使用何种材料，结冰过程都是一样的。

参考来源：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041025https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1827-6