冰為什么這么滑？真是為難了科學家一個多世紀。最近他們又有了新看法：冰天然就是這么滑，因為它表面天然存在一層冰水膜。

作者 | 陳天真 物理學碩士

冬日冰封大地，滑冰成為大眾喜愛的運動。幾百年前，我國清朝人就喜歡“冰嬉”，歐洲人也會打冰球、轉(zhuǎn)冰陀螺。但有個問題困擾了科學家一個多世紀：冰為什么這么滑？

一個常規(guī)猜想是，冰上有一層水?？雌饋硪埠芎侠恚河旰蟮穆访?、濺水的地板都會變滑。因為液態(tài)的水具有流動性，讓冰面變得滑溜溜，是一個很自然的解釋。但實際是怎樣的呢？

壓力 or 摩擦，是什么讓水膜存在？

一百多年來，科學家們做了無數(shù)實驗，試圖找到冰很滑的原因，結(jié)果卻是越研究越疑惑。

?一開始，他們將焦點放在冰上水層的形成原因上：

是壓力導致冰熔化了嗎？因為在自然界中，冰熔化后體積反而減小，導致對冰施加壓力，其熔點會降低，即壓力會幫助冰熔化。（壓力融解說，1886）

水具有一種反常特性：結(jié)冰（凝固）后密度減小，使得冰會漂浮在水面上，這樣即便是冰天雪地，魚兒也能在冰下熬過嚴冬。魚：？？？| pixabay

而冰鞋上的冰刀與冰面的接觸面積非常小，滑冰時可產(chǎn)生幾百個大氣壓，這樣即使在零度以下，冰也可以熔化形成一層水薄膜。

然而，根據(jù)理論計算，這種效果只有在冰點附近才適用。但來自南極的探險活動卻告訴我們，即使是在?30 °C的極寒環(huán)境下，滑冰仍然是可能的。可見壓力不是問題的全部答案。

那是摩擦生熱導致了冰熔化嗎？1939年，兩位科學家在瑞士少女峰挖了個洞，里面溫度始終低于?3 °C。他們在洞內(nèi)使用金屬板和木質(zhì)板做對比實驗。?

如果冰的熔化是摩擦生熱導致的，那么導熱更好的金屬板將迅速將熱量流失，使得冰較難熔化，從而遭遇更大的摩擦。結(jié)果確實如此，金屬滑雪板與冰面的摩擦力更大。此外，實驗中冰刀的溫度也上升了。該過程確實存在摩擦生熱。

但問題還沒有結(jié)束：無論是壓力、還是摩擦生熱導致的冰熔化，都無法解釋，為什么在溫度很低時，即使一個人只是靜靜地站在冰上，還是會打滑？難道冰上天然就存在一層水薄膜嗎？

慢慢逼近的真相：冰上可能存在一層天然水膜

早在1859年，電磁學奠基人之一的法拉第就提出猜想，在溫度低于冰熔點時，其表面就自然地存在著一層水薄膜。

他設(shè)計了一個實驗，將兩塊冰的側(cè)面互相接觸，發(fā)現(xiàn)它們會粘起來，需要用很大力才能分開。如果冰塊表面存在一層水膜，在兩塊冰接觸時就會凝固、將其粘在一起。這可以很好地解釋這個現(xiàn)象。

后來的研究還發(fā)現(xiàn)，不僅是冰，在金屬、半導體、稀有氣體凝結(jié)成的固體中都存在這樣的表面熔化現(xiàn)象。

但法拉第的實驗似乎被人們遺忘了。直到1949年，科學家才開始重新思考這層水膜與冰很滑之間的聯(lián)系。從那之后，人們測量了越來越多的數(shù)據(jù)，證明了這層融水薄膜的存在，并研究了其厚度，使得冰的奧秘變得越來越清晰。

最近發(fā)表于《自然》雜志的一項新研究，讓這個百年難題又向前推進一步?？茖W家們設(shè)計了一個巧妙的實驗，來測量該融水層的摩擦性質(zhì)和相關(guān)特性，讓我們更清楚地看到了這層融水薄膜的樣子。

新研究：不是單純的水膜，而是冰水混合膜

他們使用一個音叉狀的儀器，將一個毫米大小的玻璃珠附著在其中一個分支上。隨著音叉的振動，玻璃珠像微小的冰刀一樣在冰面上滑行。

在玻璃珠附近，有一個加速計，可以測出玻璃珠在平行和垂直于冰面方向的運動（振動幅度），從而計算出玻璃珠與冰面之間的摩擦力，并進而推算出融水薄膜的性質(zhì)。

雖然儀器大小只有幾厘米，其測量靈敏度卻可以達到納米量級。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冰的表面確實存在一層水膜，厚度為幾百納米到一微米，比之前理論計算的結(jié)果要小很多。

更加出乎意料的是，這層水薄膜并不是單純的水，而是水和冰的混合物。它的粘性比普通的水要大很多，幾乎像油一樣粘稠。

在負載重物時，這層“冰水與碎冰的混合物”既表現(xiàn)出來自固態(tài)冰的彈性，也表現(xiàn)出來自液態(tài)水的粘性。這種粘彈性使得它不容易從間隙中被擠出來，從而可以始終隔在內(nèi)層冰與玻璃珠（或其他物體，比如冰刀或你的鞋底）之間，阻止其直接接觸，從而起到良好的潤滑作用。

研究人員猜測，這正是冰之所以那么滑的奧秘所在。

問題還沒有結(jié)束

新的實驗結(jié)果讓我們對冰的摩擦現(xiàn)象有了更清楚的認識，然而從前文的討論中我們可以看到，“冰為什么那么滑”實際上是一個相當復雜的問題，它與冰自身的特性、外界的壓力和溫度等諸多因素有關(guān)，我們回答了其中一些問題，但還有更多具體的問題等著我們?nèi)ソ獯稹１热纾簽槭裁创嬖谶@層“冰水混合膜”？

帶著對這些問題的困惑，或許你下一次在冰天雪地上滑冰時，就不再只是會感到在冰面上風馳電掣的自由，也會想起法拉第在100多年前對這個問題的思索。對自然問題的思考，讓我們即使身處冰上的二維世界，也能超越眼前所見，洞悉一個萬事萬物皆彼此關(guān)聯(lián)的豐富世界。

（責編 高佩雯）

附：歡樂的冰上活動

清朝人滑冰 | 《冰嬉圖》，清（下為局部）

歐洲人滑冰?|《有滑冰者和捕鳥器的冬景》，彼得·勃魯蓋爾，1565

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