冰為什麼這麼滑？困擾物理學家150年的問題解決了

• 2019 年 12 月 30 日
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中學的時候大家都學過物理，都知道有摩擦係數這回事，越光滑的地方摩擦就越小，比如冰塊就是這樣。那冰到底為什麼這麼滑？這個問題沒想到困擾了物理學家150多年了，直到現在才有科學解答。

中科院高能所今天發了一篇科普文《冰為什麼這麼滑》，介紹了這個問題的由來及科學家的測試、驗證方案，指出冰的表面與外界物體會產生一層液體薄膜，只有幾百納米到一微米厚，它像油一樣粘稠，既具有粘性，也具有彈性。

在同一地點反覆滑動就會產生這種水和冰的混合物，它在荷載的作用下能既表現出彈性（來自冰），也表現出粘性（來自水），所以它比普通的水更難從間隙中被擠出來。這在一定程度上可以解釋這層介面為何會有如此優異的潤滑性能。

以下是具體的內容，除了這個問題之外，還探討了另外一個困擾物理學家100多年的問題——水是如何結冰的？

​​1 一個古老的問題

150多年來，有這樣一個問題一直困擾著所有物理學家，那就是：冰為什麼這麼滑？

一個被普遍接受的觀點認為，冰之所以滑是因為在冰的表面形成了一層液態水，這層液態水可以起到潤滑作用。根據這種說法，這意味著當我們在冰場上滑冰時，滑冰鞋和冰之間會形成一層融水薄膜。

然而，這僅僅是一種假設，這層融水薄膜是否真的存在一直是人們爭論的話題。而且即使真的有這樣一層融水，仍然有很多問題是我們不知道的，比如這層融水薄膜是怎麼形成的？是因為冰表面的熔化，還是冰與滑冰鞋的摩擦生熱，亦或是因為壓力引起的融化導致的？

有很多問題的答案都是未知的。再比如這層融水薄膜的厚度會是多少？它有著怎樣的性質？要知道一種液體潤滑與否主要取決於它從兩個摩擦表面之間的間隙中被擠出時所遭遇的阻力大小。液態水並不是一種好的潤滑劑，它的粘度很低，很容易就從間隙中被擠出。因此如果這是一層液態水薄膜，它應該不足以在滑冰鞋與冰之間起到潤滑作用，因此這層介面是如何做到減少摩擦，使冰變得更滑溜的呢？

在最近發表的一項研究中，物理學家通過設計一種新的測量力的儀器，發現確實存在這樣一層物質，但它不僅是一層簡單的水，它介於液態水和冰之間的狀態，具有有別於我們平時接觸到的水的流動屬性。

2 可以“聽”的測力儀

為了解答這個問題，研究人員設計了一個巧妙實驗，他們研發了一種新的力測量儀，幫助他們從微觀角度探討了冰為什麼滑，讓他們對冰的摩擦係數，以及中間的潤滑層的屬性進行了測量。

在設計這套力儀器時，他們藉助了一個類似於音叉的實驗裝置，並在音叉上連接了毫米大小的玻璃珠，玻璃珠會像一個小的冰刀一樣，以幾十微米的距離尺度在同一區域的冰面上滑行。音叉是用來振動的，在音叉上還附有一個加速計，用於測量玻璃珠在水平和垂直方向上的振蕩振幅，從而計算出玻璃珠和冰之間的摩擦係數。

這種方法為研究冰摩擦的起源打開了一扇新的窗口，儘管儀器只有幾厘米大，但它的靈敏度足以在納米尺度上研究中間的潤滑層的摩擦特性。

3 意外的結果

他們發現，這層液體薄膜比預期的要小得多，只有幾百納米到一微米厚，或者說只有一根頭髮的百分之一厚。而且更出乎意料的是，這層潤滑層遠非一層簡單的水，它像油一樣粘稠，既具有粘性，也具有彈性。這不僅不同於普通水的行為，也不同於冰的行為，表明表面的冰並沒有完全轉變成液態水，而是以一種冰水和碎冰的形式混合存在。

研究人員認為，這樣一層具有粘彈性的薄膜介面便是冰為何如此滑的奧秘所在。他們推測，在同一地點反覆滑動就會產生這種水和冰的混合物，它在荷載的作用下能既表現出彈性（來自冰），也表現出粘性（來自水），所以它比普通的水更難從間隙中被擠出來。這在一定程度上可以解釋這層介面為何會有如此優異的潤滑性能。

這項研究還解釋了為什麼滑冰會有如此特殊的潤滑現象。他們發現，潤滑摩擦和伴隨而來的磨損常常導致在兩個摩擦物體之間形成一層不同的材料，我們可以稱這種材料為第三物體。這種第三物體的形成過程依賴於兩個摩擦物體的表面受磨損的方式，甚至通常與摩擦所引發的化學反應有關，因此第三個物體的形成在很大程度上是系統特有的。換句話說，很少有其他材料能在摩擦和磨損下形成具有粘彈性的液-固態第三物體。

4 更多的問題

這一發現使得物理學家急需對現有的描述冰摩擦的理論框架進行徹底修改。當然，一些有趣的問題依然存在，例如這種現象在嶄新的冰上的形成速度是否快到能夠在接觸時就立馬其到潤滑作用？這層介面的存在如何解釋滑冰場的最佳溫度是-7℃？研究人員希望，新的理論能更好地幫助理解一些冬季運動項目中的冰上滑動現象，以及為一些需要處理摩擦問題的應用提供有用的解決方案。

另一個百年難題：水是如何結冰的？

其實，冰與水隱藏著許多意想不到的古老謎團。我們常說“冰凍三尺，非一日之寒”，而水究竟是如何凍結成冰的？這便是一個我們直到現在才找到答案的問題。

在一篇發表在《自然》雜誌的文章中，中國科學院和中國科學院大學的研究人員描述了他們如何用納米級的氧化石墨烯解開了這一謎團。

當一滴水結成冰時，它通常從一個被稱為冰核的微小顆粒開始，在冰核上會形成第一個冰晶，然後冰晶再向水滴的其他部分擴散，蔓延到更大的水體。

你或許對冰核這個概念感到陌生，但你很可能見證過它發揮作用。一瓶非常純凈的水即使在0℃以下也能維持液態，但只要輕輕晃動一下瓶子，水就會很快結冰。這是因為震動在水中引入了不規則的冰核，開啟了凍結過程。但更常見的是冰核是雜質。新的研究確切地確認了，多大的冰核才可以開啟這個凍結過程。

研究人員使用了數萬億個微小的氧化石墨烯顆粒來探討這個問題。他們將水和納米級的氧化石墨烯（3~50nm²）混合，然後降低溫度。當他們使用小於8nm²的氧化石墨烯顆粒時，那麼只有在-27.5°C左右這樣的極低溫度下，顆粒邊緣才會開始形成冰晶；但當大小為8nm²時，形成冰的臨界溫度上升了10°C左右。他們還用其他納米顆粒進行了同樣的測試，證實了無論使用何種材料，結冰過程都是一樣的。

參考來源：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​​​​