冰为什么会这么滑，又有新解释

对科学家来说，冰为什么这么滑，其实并不简单。最新研究表明，让冰变得这么滑并不只是压力或摩擦力让冰融化这么简单，而是隐藏在分子水平上的力量。

关于滑冰，近两百年来，我们学到的解释是压力和摩擦力会让冰融化。这种解释源于开尔文（威廉·汤姆森的爵位是开尔文勋爵，并非名叫开尔文）的哥哥詹姆斯·汤普森，他根据冰的熔点随压力升高而降低，提出冰刀的压力导致冰融化成水膜，起到了润滑作用。

萨尔大学的新研究表明，压力和摩擦在冰上形成的水膜用处不大。他们利用计算机模拟发现更深层次的原因是冰中的分子偶极子与接触表面（例如鞋底）中的分子偶极子之间的相互作用。

对于一个在冰面滑倒的人来说，压力、摩擦或偶极子是罪魁祸首并不重要。但对于物理学来说，这种区别至关重要。

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分子偶极子到底是什么？

当一对正负电荷距离很近时，就会形成有指向性的电场，那么这对电荷就成了电偶极子。类似原理还能形成磁偶极子。当分子中正负电荷的中心不重合，而形成电偶极时，就让分子具有了特定指向的整体极性。水分子（H2O）由于其V形结构让正、负电荷中心不重合，因此具有永久偶极。

水结冰后会排列成高度有序的晶格，其中分子彼此整齐排列，形成固体晶体结构。当有人踏上这个有序的结构时，破坏分子顶层的不是鞋子的压力或摩擦力，而是鞋底中偶极子与冰中偶极子相互作用——同性相斥、异性相吸。

在微观层面上，冰中的偶极子与鞋底材料中的偶极子之间的力破坏了冰和鞋界面处有序的晶体结构，导致冰变得无序、无定形，最终变成液态。

除了推翻近两百年的认知外，他们还否定了-40°C以下因天气太冷，压力没法形成水膜，不能滑雪的错误认识。因为偶极子相互作用在极低的温度下也能持续存在，因此事实上直到接近绝对零度，冰和冰刀之间仍然存在水膜。不过在极低温下，这层薄膜比蜂蜜还黏稠，因此才没法在上面滑冰。

当冰刀等物体（灰）与冰面（蓝）接触时，水分子的晶体结构被破坏

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冰还会预融化

如果没有外力时，冰的表面结构如何，何时开始融化、如何融化？这对科学家来说同样是个大问题。受研究工具所限，科学界一直无法获得准确原子尺度信息，之前普遍认为，冰表面发生预融化（冰表面在低于零摄氏度下已开始融化）的温度在零下70℃以上。

我国科学家利用国产qPlus型扫描探针显微镜，开发出了直接看到了冰表面的氢原子和化学键的技术。

在探针显微镜下，我们能看到冰表面结构同时存在六角密堆积和立方密堆积两种排列方式，且拼接堆砌形成稳定的网络结构。他们通过变温实验，看到冰表面在零下153℃即开始融化（堆积排列方式改变）。这也能帮助我们理解冰面的润滑现象。

零下153℃时冰表面在融化前后的原子结构变化，两种颜色的三角形表示水分子不同堆积方式

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

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